Материал: Сборочные операции и их контроль в микроэлектронике. Балашов Ю.С., Зенин В.В

ковых приборов и ИС в настоящее время используются пленки алюминия. Алюминий обладает высокой проводимостью, пластичностью, а также хорошей адгезией к кремнию, SiO2 и Si3N4. Он легко поддается фотолитографической обработке травителями, которые не взаимодействуют с кремнием и SiO2. К алюминиевым пленкам хорошо привариваются выводы из золотой и алюминиевой проволоки термокомпрессионной и ультразвуковой сварками. Основные недостатки алюминиевой металлизации: сложность пайки и электролитического осаждения, образование интерметаллических соединений при монтаже золотой проволоки, низкая коррозионная стойкость соединений золото – алюминий.

Дня получения пленочных контактов и покрытий применяют кроме алюминия такие металлы, как золото, медь, никель и низкотемпературные припои. К покрытиям из чистого золота легко присоединяются проволочные выводы как сваркой, так и пайкой.

Контакты более высокого качества получают на основе многослойных систем. Для увеличения адгезии к подложке часто вводят разделительный (барьерный) слой металла. Дня этих целей используют титан, хром, ванадий и другие металлы.

Адгезия пленки к подложке является основным фактором тонкопленочной технологии в производстве изделий электронной техники, так как она определяет надежность системы пленка – подложка. Величина адгезии зависит от температуры подложки и толщины напыляемых слоев. Например, максимальное значение адгезии пленок меди с подслоем хрома, нанесенных методом электронно-лучевого испарения и конденсации в вакууме на подложки из керамики 22ХС,достигается при температуре подложки 300 – 450 °С и при толщине подслоя хрома в пределах 0,08 – 0,3 мкм. При этой температуре получаются пленки с равновесной структурой. Увеличение толщины медных пленок уменьшает их адгезию к керамике

22ХС.

Характер изменения внутренних напряжений в пленках алюминия и золота идентичен. Резкое возрастание напряжений в пленках золота начинается при температуре отжига 170 – 210 °С, а в пленках алюминия – при 130 – 150 °С. Внутренние напряжения в металлических пленках алюминия и золота при отжиге уменьшаются с ростом толщины пленки.

Всистеме Cr – Сu при отжиге наблюдается уменьшение сопротивления образцов до 10 % в зависимости от соотношения толщины пленок, температуры и длительности отжига. При наблюдении в оптический микроскоп отмечаются места локального выхода меди на поверхность хрома. Появление пятен меди на поверхности хрома происходит при отжиге в течение 0,5 – 1,0 ч при тем-

пературе 400 °С. Диаметр пятен составляет 10 – 15 мкм, а их плотность возрастает до 5·104 см–2.

На прочность микросоединений проволока – пленка влияет не только вид покрытия, но и величина зерна пленочной металлизации. Теоретические и экспериментальные исследования усилий отрыва алюминиевой проволоки диаметром 0,035 мм от никелевых покрытий толщиной 6 – 7 мкм после ультразвуковой сварки показали, что прочность сварных соединений в случае покрытий никель – кобальт ниже, чем у соединений с покрытием никель – рений. Оптимальным размером зерна, обеспечивающим максимальное усилие отрыва алюминиевой проволоки от никелевых покрытий, является 12 – 17 нм. Следует отметить, что прочность отрыва алюминиевой проволоки, приваренной ультразвуком к золотому покрытию, ниже, чем при никелевых покрытиях, на 10 –

12 %.

Втонкопленочной системе алюминий с подслоем никеля возможно образование трех интерметаллических

соединений: NiAl3, Ni2Al3 и NiAl – в диапазоне температур 300 – 375 °С. При диффузии в системе золото – алю-

миний основной объем диффузионной зоны занимают быстрорастущие фазы Аu5Аl2 и Au2Al.

При изготовлении металлостеклянных корпусов ИС для получения герметичного спая коваровых деталей со стеклом проводится спекание в туннельных печах в газовой атмосфере. После спекания на поверхности ковара образуется слой окалины толщиной до 4 – 8 мкм. Только полное удаление окисленного слоя с поверхности ковара после травления обеспечивает получение в последующем сплошного беcпористого никелевого покрытия.

Качество микросварных соединений зависит от подготовки поверхности как присоединяемой микропроволоки, так и пленочной металлизации. Наличие оксидных, адсорбированных органических пленок и загрязнений уменьшает фактическую площадь контакта и прочность соединений, а вместе с этим увеличивает переходное сопротивление контактов. Обработка алюминиевых и золотых пленок лазерным излучением неодимового оптического квантового генератора влияет на механическую прочность и воспроизводимость качества ультразвуковой микросварки соединений Al – Al и Al – Au. Лазерная обработка алюминиевых пленок плотностью потока (1,4 – 1,6)·104 Вт/см2 и золотых (1,85 – 2,75)·104 Вт/см2 позволяет стабилизировать процесс микросварки, что связано с инициированием поверхностных термохимических реакций, приводящих к десорбции органических загрязнений.

Контроль состояния поверхности пленок металлов при массовом производстве приборов осуществляется методом «мягкого» зонда или замером контактной разности потенциалов, а при выборочном контроле применяют Ожеспектрометрию или рентгеновский микроанализ.

В пленочной металлизации встречаются следующие виды отказов: разрыв пленки или увеличение ее сопротивления, короткое замыкание между соседними пленками, отслоение пленки от подложки или адгезионного слоя, ухудшение прочности соединения проводников к пленке. Данные отказы обу-

словлены протеканием деградационных процессов в контактах, основными из которых являются процессы диффузии, электродиффузии, химической и электрохимической коррозии. Механические разрушения свидетельствуют о наличии остаточных напряжений в многослойной металлизации и в кристалле еще до операции присоединения выводов.

4.2.1. Свариваемость алюминиевой металлизации контактных площадок кремниевых кристаллов

салюминиевой проволокой

Вкремниевых полупроводниковых приборах и ИС для создания токоведущих дорожек и контактных площадок используется в основном тонкопленочный алюминий. Многочисленные исследования свариваемости алюминиевой проволоки с алюминиевыми контактными площадками на кристалле показали, что качество микросоединений зависит от состояния поверхности алюминиевой металлизации, ее состава.

При УЗС основной причиной, снижающей уровень и стабильность прочности микросварных соединений алюминиевой проволоки с алюминиевыми контактными площадками кристаллов, является загрязнение их поверхности углеродом, остатками пленки защитного диэлектрика и кремнием.

Методом Оже-спектроскопии установлено, что свариваемость становится неудовлетворительной при содержании углерода более 40 %, кислорода более 15 % и кремния более 3 % в поверхностном слое алюминиевой металлизации толщиной порядка 500 – 600 Å. Данные элементы уменьшают фактическую площадь взаимодействия металлов при сварке и препятствуют удалению оксидных пленок из зоны соединения.

Легирование алюминиевой металлизации кремнием (до 1 %) при вакуумном напылении приводит к повы-

Рис. 4.4. Схема монтажа алюминиевой проволоки к контактной площадке на кристалле: 1 – диэлектрическая пленка; 2

– легированный алюминий; 3 – чистый алюминий; 4 – алюминиевая проволока; 5 – сварное соединение

Нанесением верхнего слоя чистого алюминия обеспечивается хорошая свариваемость с алюминиевой проволокой при «мягких» режимах за счет его высокой пластичности. При толщине чистого алюминия более 0,4 мкм зона взаимодействия свариваемых материалов не доходит до нижнего слоя. Уменьшение толщины данного слоя приводит к взаимодействию проволоки с нижним слоем легированного алюминия, что может привести к деформации последнего и контакту проволоки со ступенькой оксида. Нижний слой защищает диэлектрическое покрытие от непосредственного контакта с привариваемой проволокой.

При нанесении слоев алюминиевой металлизации в одном технологическом процессе обеспечивается гарантированная адгезия между ними.

При термокомпрессионной сварке соединений типа Al – Al на их прочность и стабильность оказывают влияние структура и толщина оксидной пленки Аl2О3, имеющейся на поверхности контактных площадок.

Естественный слой оксида имеет неравную толщину и сплошность, но хорошую адгезию к пленке алюминия. Данный слой состоит из аморфной смеси с небольшой примесью кристаллической фазы, он склонен к гидратации, т. е. содержит молекулы воды, которые находятся в твердом растворе в виде гидроксильных ионов.

При термообработке с целью улучшения адгезии алюминиевой пленки к поверхности полупроводниковых структур и формирования омических контактов поверхностная часть оксидного слоя переходит из аморфной модификации в кристаллическую γ-фазу Al2О3.

При ТКС под воздействием температуры и давления происходит пластическое течение свариваемых материалов, в

77

результате которого на соединяемых поверхностях должны разрушаться, а затем я выноситься из зоны соединения адсорбированные и оксидные пленки. Однако аморфный слой оксида алюминия обладает высокой пластичностью и легко утоняется при механическом давлении, т. е. его сложно полностью удалить при пластической деформации. Установлено, что одним из основных факторов, снижающих стабильность прочности термокомпрессионных соединений алюминиевых проводников с пленками алюминия, осажденными в вакууме, является наличие на поверхности пленки слоя оксида алюминия аморфной модификации. Оксидный слой на поверхности алюминиевой проволоки разрушается легче, так как проволока при ТКС деформируется гораздо больше, чем пленка.

Для повышения качества микросоединений при ТКС рекомендуется сразу же после нанесения в вакууме пленок алюминия окислять их в чистом кислороде при температуре подложки 130 – 170 °С. Это приводит к значительному снижению роста естественного оксида на воздухе после окисления в цикле осаждения металла, что способствует более полному переводу оксида в кристаллическую модификацию.

4.2.2. Микросварные соединения алюминиевой проволоки с пленкой золота

Несмотря на то, что проводятся работы по замене золота на другие покрытия корпусов полупроводниковых изделий, данный металл широко используется в настоящее время в технологии и, по-видимому, будет использоваться и в будущем. Золото применяется в производстве полупроводниковых изделий в виде чистого металла или сплава с другими металлами и в виде гальванических покрытий корпусов. В то же время необходим анализ положительных и отрицательных свойств золота, как кон-

струкционного материала, особенно в составе микросварных и паяных соединений.

Следует отметить, что результаты исследований качества микросоединений Al – Au имеют иногда разноречивый характер. Это связано с проведением некоторых исследований на упрощенных моделях, не учитывающих реальных процессов, происходящих в микросварных соединениях приборов. Трудность исследований заключается и в сложности анализа столь малых объемов исследуемых материалов.

Основным недостатком работ по исследованию надежности микросварных соединений Al – Au является концентрация внимания на анализе отказавших (деградировавших) соединений и определение, на основании этого, ожидаемого срока службы контактов. При этом для сокращения времени исследований испытания микросоединений проводятся при высоких температурах.

Золото и алюминий имеют хорошую взаимную свариваемость при отсутствии толстых оксидных пленок на алюминии. Однако получаемые сварные соединения являются термодинамически неустойчивыми из-за образования в контакте этих металлов интерметаллических соединений. Данные соединения появляются уже в процессе формирования сварного соединения как при ТКС, так и при УЗС и продолжают расти при повышенной температуре при технологических обработках и эксплуатации приборов.

Установлено, что уже в процессе сварки образуется слой, состоящий из фаз AuAl2, AuAl и Au5Al2. Ширина этих фаз и всей диффузионной зоны является неравномерной и меняется вдоль сварного соединения. Фаза АuАl2, образующаяся при сварке, при низкотемпературном отжиге образцов резко тормозит рост остальных фаз, т.е. играет барьерную роль, а неоднородность толщины барьерного слоя вызывает неравномерный рост других фаз в процессе отжига. При высокотемпературном отжиге растут фазы, богатые алюминием, а при низкотемпературном – фазы, богатые золотом.

Например, при температурах отжига 250 и 300 °С в диффузионной зоне присутствуют в основном фазы АuAl2, AuAl и Аu5A12, а при отжиге 500 °С – АuAl и AuAl2. Исследования показывают, что ни в одном из режимов обработки контактов Al – Аu в диффузионном слое не наблюдаются все фазы, допустимые для данной температуры диаграммой состояний.

Образование интерметаллических соединений в контактах золота с алюминием происходит уже при температуре 100 °С. В начальный момент образуются кристаллы Au2Al , позже появляется фаза АuAl2, а при дальнейшей выдержке фаза Au2Al уменьшается, пока в образце не остаются кристаллы АuAl2, имеющие пурпурный цвет. Процесс завершается более чем за 150 ч. Наблюдения показали, что пурпурный цвет соединений золота с алюминием связан с образованием исключительно фазы АuAl2. При взаимодействии контактирующих пленок золота и алюминия при температуре 150 °С и выше при соотношении толщины tАu/tAl = 3 кристаллов «пурпурной чумы» не обнаружено.

Соотношение размеров проволоки и пленки влияет на качество сварных соединений. Например, при отношении ширины деформированной части алюминиевого вывода к толщине золотой пленки более четырех незначительно изменяется сопротивление контакта. Таким образом, выбором соотношения толщин свариваемых материалов можно повышать надежность соединений.

Деградацию сварных соединений системы Al – Аu можно существенно уменьшить легированием золотой пленки Pd и Ag, а также алюминиевой проволоки 1 – 2 % Pd или 1 % Be . Загрязнения золотой металлизации примесями Рb, Zn, Та, Те, S, Со, Fe и др. значительно ускоряют диффузионные процессы в сварных соединениях. Отрицательное действие оказывают на деградацию сварных соединений и загрязнение поверхностей соединяе-