Введение к работе
Диссертационная работа посвящена развитию физико-технологических основ создания новых высоких технологий микроэлектроники и направлена на дальнейшее развитие в Республике Беларусь научно-технической базы для проектирования и производства широкой номенклатуры интегральных схем с улучшенными техническими характеристиками с целью удовлетворения потребности белорусских предприятий в конкурентоспособной электронной элементной базе для приборов и систем специального, промышленного и бытового назначения и увеличения экспортного потенциала республики.
Актуальность темы диссертации. Основной тенденцией развития современной радиоэлектроники является ужесточение требований к ее элементной базе - увеличение функциональных возможностей, снижение погреб-ляемой мощности, увеличение быстродействия, повышение надежности и снижение стоимости. Рост функциональных возможностей элементной базы, главным образом больших тгтегралышх схем (БИС), обусловлено известным законом Мура - количество транзисторов на кремниевом кристалле удваивается каждые два года и определяется в первую очередь тремя факторами - уменьшением геометрических размеров элементов, совершенство аннем схемотехнических решениіі и использованием новых архитектурных решениіі БИС. При этом на первый план выспупзет качество полупроводникового производства, обеспечивающее достаточно высокий вы.чод годных микросхем, надежность и воспроизводимость, а также конкурентоспособность БИС как по технико-эксплуатационным, тяк. и по стоимостным характеристикам. При этом следует особо подчеркнуть следующую особенность действия закона Мура - по сравнению со схемами памяти (БИС с регулярной структурой) удельная стоимость неоднородных БИС (микроконтроллеры, микропроцессоры, специализированные БИС) снижается более ме/шенно при минимальном изменении удельной стоимости корпусировзння (от 1,4 до 0,8 цент/вывод), что свидетельствует о наличии "узкого мести" в процессе произ одства БИС.
Выполнение полного технологического цикла создания современных изделий микроэлектроники требует проведении бже 600 операций и технологических обработок при использовании более 900 единиц основи )го и вспомогательного оборудования, применения ЛОО-250 различных материалов и составов, обеспечения прецизионности метрической обработки до значения ±0,05-0,1 мкм при диапазоне размеров злемеїггов до 0,3-0,5 мкм, а температурных факторов до значений ±0,2"С.
Основной спецификой микроэлектронного технологического цикла является строгая детерминированность последовательности операций и практическая невозможность устранения брака путем повторных обработок.
Если методология, проблемы и пути решения задач логического синтеза архитектуры и схсмотсхшсчсского проектирования БИС достаточно детально рассмотрены в отечественных и зарубежных изданиях, то с проолемой микромоіггажа (корпуенровання) кристаллов дело обстоит иначе. Влияние степени интеграции БИС на конструктивно-технологические проблемы мик-ромонгажп БИС можно продемонстрировать на примере логических схем. Согласно правилу Рента, для количества ен гилей на кристалле га необходимо обеспечить /;=4,5(т)0'' сигнальных выводов корпуса, что требует применения корпусов с количеством выводов до 200 даже для относительно простых микросхем.
[ Ісльзя ас учитывать и экономические аспекты проблемы микромонтажа СБИС - для совремешолх БИС и СБИС стоимость сборочных операций и затраг на повышение качества микромонтажных соединений (кристалл -корпус) достигает 65% стоимости всего изделия. Значительную часть затрат при этом составляет стоимость используемых материалов (драгоценные металлы и кобальт ссодержащие сплавы, сложные электролиты и т.д.) и технологического оборудования.
Для решения отмеченных н сопряженных с ними проблем микромон-тажа кремниевых кристаллоа в мировой практике нцмепшись такио основные тенденции, к.1к:
совершенствование конструктивной базы, оборз'цования и технологии посадки (мотала) кристаллов на несущее основание непланарной стороной либо планарной по методу перевернутого крист&гта (технология flip-Cliip);
применение корпусов на основе новых технологий;
использование новых материалов тонкопленочных покрытий для кристаллов и основных элементов конеттг. гсции корпуса БИС.
Следу гт подчеркнуть, что до настоящего времени исследования в области тонкопленочных покрытий выполнялись, в основном, с целью решения частных задач, например, повышения устойчивости к электромнграцки, возможности реализации самосовмещзния іатвора с областями истока и стока МОП-транзисторов в составе БИС, снижения электросопротивления словарных шин БИС памяти благодаря использован too низкоомных силицидов тугоплавких металлов и т.д. Задачи по формированию высококачественного электрического и теплового контакта полупроводникового кристалла с основанием корпуса ставились лишь для дискретных мощных полупроводниковых приборов. Комплексные же работы но созданию в едином технологическом маршруте функцией?тьных тонкопленочных покрытий как на планарной, так и на непланарной Стороне кристалла БИС до недавнего времени не производитесь.
Однако создание более совершенных функциональных тонкопле-н.лшых покрытий не обеспечат решения проблемы микромонтажа БИС в це-
лом бо разработки новых методов и создания соответствующею технологического оборудования, применения новых материалов и конструктивных решений.
Так, создание многослойных тонкопленочных покрытий, выполняющих различные функции (невыпришшошего контакта, покрытий для последующего формирования эвтеюнческого сплава на основе системы Аи-Si или для пайки твердыми припоями), требует разработки прецизионных систем нанесения пленок, среди которых наиболее важное место занимает вакуумное оборудование. При этом погрешности воспроизведения толщины и состава наносимых покрытий должны быть меньше, чем при получении обычных проводящих и основных видов защитных покрытии.
Таким образом, проблема получения высококачественных функциональных тонкопленочных покрытий на базе новых материалов и сплавов с высокой воспроизводимостью свойств, новых технологических методов и оборудования и на этой основе снижешіе стоимости микромоитажп.. кристаллов в сериином производстве изделий микроэлектроники является актуальной научной и прикладной задачей.
Связь работы с крупными научными программами, темами.
Основные исследования, результаты которых представлены в днссер-тацнонг їй работе, проведены в рамках государственной научно-технической программы (ГНТП)"Белэлекгро1шка", где соискатель является научным руководителем программы, в рамках отдельных заданий ПІТИ "Информатика", "Телевидение", Аудиотехника", "Имнортозамещеипе", "Материалы- и др., а также в ряде отдельных научно-технических проекте»;! (ОНТП).
Цель и задачи исследовании. Цепью работы является выявление характерных закономерностей процессов формирования тонких пленок с заданными свойствами и разработка ' комплекса новых конструктивно-технологических методов и средств обеспечения высококачественного миг.-ромонтажа кристаллов в серийном производстве ЬИС и других изделий микроэлектроники.
Основные задачи исследования.
-
Создание тонких металлических пленок (металлизации) на Планерной стороне кристаллов с характеристиками, обеспечивающими разьарку проволочных соединений по контактным площадкам с высокой прочностью .и воспроизводимостью технологического процесса.
-
Разработка методов формирования тонких пленок па ненланарнап стороне . ристаллов, обеспечивающих посадку на монтажную зону корну:,'! (выводную рамку) и получение івердотельиого соединения, удовлетворяющего требованиям по і око- и теплоотводу.
-
Установление аналитической зависимости ионного состава э.з.'.с гропита в объеме и на поверхности электрода от ьшшешрагши дгппг;!н>/а\|''і-
і;і і лги!» и плотности поляризующего тока при электрохимическом осаждении io/mia из фосфорнокислых электролитов; исследование закономерностей формирования и свойств тонких пленок сплава Ni-Ін и слоистых структур на основе никеля п процессе электролитического осаждений.
'I. Экспериментальное исследование механизма и кинетики элсктро-осажлення металлов из комплексных соединений, содержащих избыток лишила, исследование роли концентрационной поляризации в процессе золочения из (]юсфорнокислых электролита при нулевом и предельном перенапряжении.
-
Разработка технологических методов подготовки поверхности корпусов (выводных рамок) и методов микромонтажа кристаллов, обеспечивающих воспроизводимость процесса.
-
Построение и анализ одномерной модели распределения термических напряжений в структуре "кремниеврч подложка - металлическая пленка" на основе решения несвязанной квазистатической задачи термоупругости.
-
Разработка технических требований и элементов технологического оборудования, обеспечивающего высокую степень воспроизводимости операций микромонтажа кристаллов БИС.
-
Освоение разработок в серийном произволе зе и использование в учебном процессе.
Обьект м предмет исследовании. Объектом исследования являются тонкие металлические пленки, отдельные операции и технологические процессы нанесения тонких пленок с заданными свойствами на кристаллы БИС и корпуса (выводные рамки), а также методы микромоніажя кристаллов. Конечным объектом исследования выступают интегральные логические схемы, микроконтроллеры и шкропроцессорные комплекты, в том числе серия цифровых и цифроаналоговых БИС для телевизоров 5-го и 6-го поколений, телефонии, средств связи, бытовой радиоаппаратуры.
Предметом исследования являются физико-технологические свойства тонких пленок для покрытий кристаллов и корпусов, обеспечивающие высокое качество операций микромонтажа кристаллов БИС, а также новые закономерности формирования многослойных тонких пленок и микромонтажа кристаллов.
Гипотеза. На базе исследования физико-химических свойств наносимых на кристаллы тонких пленок, конструктивных элементов корпусов БИС и процессов микромонтажа кристаллоь впервые выдвинуто научное предположение о возможности достижения высокой воспроизводимости процессов микромонтажа кристаллов БИС и снижения стоимости последних как путем создания кс содержащих драгметаллы функциональных тонких пленок с заданными свойствами, так и посредством использования адаптированных к ним технологических методов микромонтажа, реализуемых в серийном производстве конкурентоспособных изделий микроэлектроники.
Методология и метоцы проведенного исследования. Иснольшса-лись взаимодополняющие методы исследования процессов формирования металлических тонкопленочпых покрытий, показателей их качества и характеристик мнкросварі.-лх соединений. В работе исследовали химический состав и микроструктуру, шероховатость, микротвердость, блеск, пористость, электрическое сопротивление пленок и переходное сопротивление неиыпрямляю-щнх контактов, механическую прочность микромовгажных соединений.
Использованы методы растровой электронной микроскопии (JSM-50А, Stereoscan-360), электронпо-зондового микроанализа (спекіромеїр AN-10000, Link Sj'6tcm), рештеноструктурного анализа (ДРОН-3), 1'аман-спектроскогаш, Оже-электронной спектроскопии, оптической микроскопии, спектрофотометрни (СФ-11), снятия микропрофиллограмм, дилатометрии, определения электрических параметров тонкопленочных покрытий и микро-моїтталаїьтх соединений на специализированных стендах.
Математические модели построены с использованием вычислительных процедур на основе численного дифференцирования и интегрирования, методов аппроксимации и интерполяции эксперимеиталыгых данных.
Научпан новизна и значимость полученных результати. В части исследования пленарных тонкопленочных покрытий :
обнаружены и объяснены закономерности формирования металлизации нижнего уровня разводки БИС с замедленным ростом бугорков после отжига, связанные с применением чередующихся слоев Ті и сплава Al-Si и маскирующих слоев из TiSi2 и MoSi3, мелкодисперсного подслоя из Та, Nb и сплавов и Mo-Re, с использованием алмазоподобной углеродной пленки, получаемой в зоне разлета лазері:эго эрозионного факела, и ионного легирования Sb+, приводящего к аморфизацни поверхностного слоя сплава Al-Si;
экспериментально установлена роль промежуточных слоев оксидов СиХ) и СиО, а также внедренного кислорода в повышении адгезии к Si02 тонких пленок Си, наносимых вакуумным испарением в кислородсодержащей среде при обработке тыльной стороны подложки лазерным излучением с X = 1,06 мкм; определены показатели качества (пористость, влагосодер/ка-ние) плотноупакованных тонких пленок в составе межуровневого диэлектрика из ТіОі ii.SiOj, формируемых в условиях лазерного воздействия; впервые установлены корреляционные зависимости величины средней наработки на отказ токопроводяиих шин из тонких пленок сплавов Al-Si-Cu с текстурой (111) от давления остаточного газа в процессе их нанесения магш..ройным распылением, структурно-морфолоппескич особенностей и ширины шин.
0 части исследования непланарных тонкопленочных покрытий:
разработана феноменологическая модель электрохимического осаждения
золота из фосфорнокислых электролитов, включающая полученное дли
частою случаи катодной реакции аналіпическог ьыраженке, позвшшю-щес рассчитан, численными методами ионный состав электролит в обье-ме и па поверхности электрода при различных концентрациях дииианоау-ра і а калия и плотностях поляризующего тока, и граф, отражающий процессы и равновесия в ирикатодном слое;
предложены и экспериментально подтверждены механизм и кинетика
электрохимического осаждения мегаллов из комплексных соединенніі, со
держащих или в начальный момент не содержащих небольшой избыток
лигаида, определена энергия активации процесса золоченій из фосфорно
кислых электролитов при нулевом и предельном перенапряжении и впер
вые экспериментально доказана определяющая роль концентрационной
поляризации, проявляющейся в торможении катодного процесса восста
новления золота и водорода из-за адсорбированной воды.
В части разработки методов формирования и исследований показателей качества мнкромоптажных соединении:
разрабоганьї методы подготовки поверхности под микросварку А1-
проволокой и обоснованы оптимальные условия ультразвуковой микро-
сварки с учетом толщины золотого покрытия па траверсе коварового кор
пуса, в том числе для ультратонких покрытий, наличия маскирующих по
крытий и условий формирования пикелегых покрытий, а также метод
ультразвуковой сварки с использованием токового стимулирующего воз-
' действия;
впервые установлены количественные взаимосвязи между- свойствами со
единении, полученных тсрмоком"рсссиршюй и ультразвуковой сваркой,
характеристиками пленок сплавов А1 и мноюслойных структур
(морфология, отражательная способность, химический состав, включая
поверхнос - ные слои) и группой технологических факторов.
Практическая и экономический значимость полученных результатом. Практическая реализация полученных научных результатов применительно к производству микроэлектронных изделий выражается в следующем:
развитии физико-технологических основ микромонтажных опера
ций, создании на их базе новых технологий производства изделий микроэлек
троники и внедрение их в серийное производство НПО "Интеграл",
АО"Мнкро!'", АО "Ангстрем" г.Москва, АО "Электроника", г.Воронеж;
* разработке ноеых методов технологического проектирования на
базе систем квозного моделирования и внедр" іія их в систему проектирова
ния ИИК'ГП "Белмпкросистсмы" НПО "Интеграл"";
> р;мрабогкс н внедрении б серийное производство НПО ."I uneipa.i" мивмх (с коэффициентом обновления 35% в год) конкурентоспо- іч'чн.іх издсапії высшей категории качества;
> росте объемов производства и НПО "Интеграл" ыикроэлектрон-ных изделий, достигнутого за счет освоения нових типов конкурентоспособных изделии, не уступающих по техническим паранеірам, качеству и надежности лучшим зарубежным аналогам.
При выполнении ГНТП "Белэлектроишса" использованы представленные в работе ^овые технологические пронесем мнкромоптажа кристаллов логических микросхем, БИС микроконтроллеров и БИС микропроцессорных комплектов для цветных телевизоров 5-го н 6-го поколении, fit (С для телекоммуникации, информатики и вычислительной техники.-Применение новых технических решений, в том числе пг "цессон сборки, ПО (ПОЛИЛО полностью обеспечить потребность телевизионных заводов НПО "Горизонт", "Витязь" в элементно" базе, исключив необходимость приобретения этих БИС за рубежом, гэкономить валютные ресурсы республики, создать и освоить в производстве 143 типа интегральных схем (стандартные логические СБИС, 8 и 16-разрядные микроконтроллеры, микросхемы для силовой н энергосберегающей аппаратуры, систем телекоммуникаций).
Так, по состоянию на 31.12.1996г. объем продаж от разработанных изделий только в рамках ГНТП "Белзлектроннка" составил более 60 млрд. руб. и более 3,5 млн. долларов США, по итогам 1997 года получено дополнительно от продаж разработанных изделии более 100 млрд. рублен. Б ГНТП "Телевидение" и "Ауднотехннка" использовались новых технологические процессы.
Результаты работ нашли применение п в ГНТП. непосредственно не связанных с микроэлектроникой. Так, в ГНТП "Белсвязьтехника" использовались изделия микроэлектроники для телефонии, АТС, разработанные на основе технологии и методов проектирования, представленных ь работе, а ГНТП "Автотрактсростроение" использовались микросхемы для электронных устройств управления автомобильными н тракторными системами (автоблокировка, индикаторная панель, управление подвеской, генераторы мощности и др.).
Результаты представленной работы планируется использовать в Президентской программе "Бытовая электроника" (подпрограммы "Белорусский телевизор" и "Компьютеризация населения", подраздел "Игрушки к обучающие игры") и ОНТП.
Всего результаты работы использовались в 7 ГНТП и более чем в 2п научных проектах, и том числе в работах ВУЗов н отделений НАЛ Беларуси.
Под руководством автора подготовлены и успешно нцищены кандидатские диссертации Федосенко Н.Н. "Разработка высокоэффекттшых технологических процессов формирования функциональных пленок, стимулированных лазерным излучением" н Пономарем В.Н. "Планаризация диэлектрика в повышение термостабильиости алюминия при создании иатеграиь-
пых схем", а также подготовлена и прошла предварительную защиту кандидатская диссеріацня Федосснко Г.Н. "Лазерное и ионное стимулирование процессов формирования алмазоподобных пленок оптического назна* :ния".
Па основе разработанных автором технологий и методов в НПО "Интеграл" с 1992 г. по 1998 г. разработано и внедрено около 200 типов новых микроэлектронных изделий, что позволило увеличить объем выпуска изделий с 113 млн.шт, до 200 МЛН.ШТ., причем объемы товарной продукции НПО "Интеграл", достигнутые за сче~ новых изделий, увеличились в 3 раза.
Благодаря разработке и внедрению новых методов формирования функциональных токонленочных покрытий и микромонтажа кристаллов в целом по отрасли достигнута экономия золота в количестве 1210 кг, что в стоимостном выражении составляет 11260000 долларов США.
Освоенные мнкроэлектрониые изделия активно используются предприятиями Республики Беларусь в промышленности и бьтовой технике (телевизоры, автомагнитолы, электронные часы, АТС, телефонные карточки, автомобильные и тракторные генераторы и др.). Большой объем изделий микроэлектроники (свыше 200 млн.игг.) экспортируется в СНГ и дальнее зарубежье, причем основными рынками сбыта продукции являются Тайвань Гонконг, США, Китай, Сингатр, что позволило НПО "Интеграл" в период с 1991 но 1998 гг. увеличить объем валютных поступлении более чем в 40 раз.
Основные положении диссертации, выносимые на защиту:
концепция микромонтажа кристаллов БИС, ядром которой является опре
деление требований к функциям и свойствам металлических тонких пле
нок на планарной и нспланарной стороне для обеспечения предпосылок
воспроизводимого формирования высококачественных микромоитажных
соединении адат .рованньши к пленкам методами и построение на этой
основе маршрута блока сопряженных технологических операций;
о закономерности формирования и новые свойства тонких пленок сплава Ni-In и слоистых структур на основе никеля в процессе электрохимического осаждения, в тем числе в импульсных режимах;
аналитическая зависимость ионного состава, электролита в объеме и на
поверхности электрода от концентрации днцианоаурата калия и плотности
нолярирующего тока при электрохимическом осаждении золота из фос
форнокислых электролитов;
» иивый эффект торможения катодного процесса восстановления золота и водорода адсорбированной водой и кинетические характеристики процесса золочения и з фосфорнокислых электролитов при нулевом и предельном перенапряжении;
аналитическая зависимость распределения термических напряжений в
структуре "кремниевая подложка - металлическая пленка", позволяющая
минимизировать напряжения на границе раздела двух сред.
Лігші.ні шслал соискатели. Приведенные а диссертации результаты получены лично соискателем .
Оснопные результаты оп)б;інкованьі в трех монографии*, написанных единолично, а также в ряде совместных публикации. Соавторы опубликованных работ принимали участие и изготовлении тестовых образцов, разработке методик измерении, провеленнії отдельных экспериментов и расчетов, в обсуждении результатов.
Обработка и интерпретация данных, формулировка положений диссертации, а также все выводы сделаны автором единолично.
Апробации реіулматсж дм еертацнн. Результаты представленной работы и основные ілтучньїе положения обсуждались на 18 научно-технических конференциях, семинарах и симпозиумах, в том числе на 5 зарубежных. Среди них:
-
Двенадцатая Всесоюзна» научная конференция по микроэлектронике, Тбилиси, Грузия, 1987.
-
Сорок вторая Всесоюзная научная сессия, посвященная Дню радио, Москва, Россия, 1987.
-
Шестая международная конференция "Konlaclronica'88", Быднпц, Польша, 1998.
І. Международная научно-техническая конференция "Теория и практика защиты металла от коррозии", Куйбышев, Россия, 1988.
-
Научно-практическая конференция "Состояние н перспективы развития сборочного оборудования", Минск, Республика Беларусь, 1991.
-
Сорок шестая Всесоюзная научная сессия, посвященная Дню радио, Москва, Россия, 1991.
-
Научно-техническая отраслевг конференция "Состояние и повышение надежности видеомагнитофонов", Новгород, Россия, 1992.
-
Научпо-нракт ический семинар "Экологически чистые техно копій", Хмельницкий, Украина, 1992.
-
Научно-техническая конференции "Электроэнергетика, промышленная энергетика, экология", Мариуполь, Украина, 19У2.
-
Всесоюзная конференция "Маркетинг, технология и оборудование микросварки-пайкн в производстве ИЭТ", Москва, Россия, 1992.
-
Шестнадцатая международная конференция "ІСЕС92", Лоубсро, Англия, 1992.
-
Вторая международная конференция "Передовые технологии о производстве материалов", Минск, Республика Беларусь, 1997.
13. Третья республиканская научно-техническая конференция
"Новые материалы и технологи", Минск, Республика Беларусь, 1998.
14. Международный семинар "SEMFiCIS, EXECUTIVE MISSION
AND EXHIBIT", Зеленоград, Россия, 1998.
!5 Пятая международная конференция «Общие разработки ишс-іральиьіх микросхем и систем, MIXDES'98, Лодзь, Польша, 1998.
Онублнкоианность результатов. По материалам диссертации опуб-лнколано 102 работы, в том числе: 6 монографий (3 написаны без соав оров - 848 стр.). 50 статей в научны.^ журналах и сборниках, 14 тезисов докладов на наупю-технических конференциях. Новизна технических решении подтверждена 15 авторскими свидетельства,.!]! и патентами.
J международной печаги (дальнее зарубежье) - 7 работ.
Без соавторов опубликовано 7 работ (999 стр.).
В совместно опубликованных научных работах автору диссертации принадлежит 539 стр.
Авюром подготовлено 9 учебных и учебно-методических пособий.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введення, шести їлав, заключения, списка использованных источников, приложений. Общий объем - 365 стр., в том числе 193 стр. основного текста. Работа включает 173 иллюстрации, 51 таблицу и библиографию из 227 наименований.
