Способ изготовления индиевых микросфер для сборки интегральных схем
Использование: в технологии получения микросборок интегральных схем, и в частности, микросборок методом перевернутого кристалла инфракрасных фотоприемных устройств, при помощи индиевых микросфер. Техническим результатом при использовании изобретения является уменьшение трудоемкости изготовления микросфер для сборки ИС. Сущность изобретения: в способе изготовления микросфер для сборки интегральных схем, включающем нанесение на пластину с интегральными микросхемами с контактными площадками адгезионного слоя, формирование барьерно-адгезионного слоя над контактными площадками, электрохимическое осаждение металла и удаление адгезионного слоя вне областей формирования микросфер, перед электрохимическим осаждением проводят окисление адгезионного слоя и активацию барьерно-адгезионного слоя, после чего проводят электрохимическое осаждение индия, а удаление адгезионного слоя проводят вместе со слоем образованного на нем окисла. Электрохимическое осаждение индия проводят в расплаве ацетамида при температуре выше температуры плавления индия, при этом, поскольку осаждаемый индий находится в жидком состоянии, за счет сил поверхностного натяжения образуются оплавленные микросферы. Перед осаждением микросфер целесообразно провести нанесение слоя индия толщиной 1-3 мкм электрохимическим осаждением в расплаве ацетамида при температуре ниже температуры плавления индия. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.
Предлагаемое изобретение относится к технологии получения микросборок интегральных схем (ИС), и в частности, микросборок методом перевернутого кристалла инфракрасных (ИК) фотоприемных устройств (ФПУ), при помощи индиевых контактов (микросфер или микростолбов), формируемых на контактных площадках (КП) ИК фотоприемника для их последующего соединения с мультиплексором.
Известен способ изготовления индиевых микростолбов, полученных методом двустадийного вакуумного напыления, в котором нижние слои формируются вакуумным напылением и фотолитографией, а верхние - вакуумным напылением через свободную маску с отверстиями. Микростолбы напыляются на КП ИК фотоприемника для последующего соединения с мультиплексором. КП представляют собой многослойные структуры, полученные на, как правило, алюминиевых КП ИС (Клименко А.Г., Недосекина Т.Н. и др., "Индиевые микростолбы для холодной сварки инфракрасных фотоприемных устройств при минимальных давлениях", "Наука-производству", № 12 (50), стр.50-53, 2001 г.). Основными недостатками такой технологии являются: большой расход материала при напылении, например, для напыления 20 мкм слоя индия на пластину диаметром 150 мм при использовании плоского точечного источника (например, электронно-лучевого или резистивного нагревателя) необходимо распылить порядка 56 г индия, что в сотни раз превышает полезные затраты индия, необходимого для получения микростолбов на пластине; внесение дефектов на кристаллы ФПУ при совмещении и механическом прижиме свободной маски к пластине; низкая точность совмещения; неприменимость для пластин кремния диаметром более 50 мм из-за несоответствия величин температурного коэффициента линейного расширения между кремнием и материалом свободной маски.
Известен способ формирования индиевых микростолбов вакуумным напылением индия на толстый слой фоторезиста с окнами к металлу КП. Фоторезист удаляется методом взрыва, при этом толщина напыленного металла не может превышать толщины фоторезистивной маски. После удаления фоторезиста индиевые столбы оплавляются до сферической формы (Ziegler J., Bruder М., Wendler J., Maier H, "Second generation – FPA’s with MCT sensor arrays in hybrid approach" // Proc. SPIE. 1992. 1735. P.151.). Недостатком такой технологии являются: повышенный расход материала и ограничение размера микросфер, так как толщина напыленного слоя индия должна быть меньше толщины фоторезиста для его растворения после напыления, а с увеличением толщины фоторезиста уменьшается его разрешающая способность, что недопустимо на современном уровне миниатюризации ИС.
Известен выбранный за прототип способ изготовления оловянно-свинцовых микросфер для сборки ИС, включающий нанесение адгезионного и барьерно-адгезионного слоев металлизации на пластину ИС с контактными площадками, нанесение слоев фоторезиста и тонкого слоя титана, проведение фотолитографии по титану, электрохимическое осаждение припоя над КП, удаление фоторезиста, оплавление припоя до сферической формы (пат. США № 6387793 В1, НКИ 438-612, 14 мая 2002 г.). Тонкий слой титана на фоторезисте выполняет двойную функцию: является проводником тока ко всем контактным площадкам при электрохимическом осаждении и является не смачиваемым слоем для материала микросфер. Металлизация состоит из слоя титана, никеля и золота, которые последовательно осаждаются на пластину, а затем с помощью фотолитографии стравливаются вне областей контактных площадок, слой титана является адгезионным, слой никеля - барьерно-адгезионным, золота - неокисляемый, смачиваемый по отношению к припою. После осаждения припоя идет нагрев пластины ИС до температуры плавления материала микростолбов и их сферизация. Однако, такой способ является достаточно трудоемким, содержит большое количество вспомогательных операций и использует дорогостоящий материал - золото. Кроме того, надежность сборки с использованием изготовленных таким способом микросфер невысока, так как оловянно-свинцовый материал припоя имеет зависящий от температуры коэффициент термического расширения, что может привести к разрыву соединения в приборах, работа которых происходит с термоциклированием, например, для ФПУ с рабочей температурой 77 К.
Техническим результатом при использовании предлагаемого изобретения является уменьшение трудоемкости изготовления микросфер для сборки ИС, а также повышение надежности самой сборки.
Технический результат достигается тем, что в способе изготовления микросфер для сборки интегральных схем, включающем нанесение на пластину с интегральными микросхемами с контактными площадками адгезионного слоя, формирование барьерно-адгезионного слоя над контактными площадками, электрохимическое осаждение металла и удаление адгезионного слоя вне областей формирования микросфер, перед электрохимическим осаждением проводят окисление адгезионного слоя и активацию барьерно-адгезионного слоя, после чего проводят электрохимическое осаждение индия, а удаление адгезионного слоя проводят вместе со слоем образованного на нем окисла. Электрохимическое осаждение индия проводят в расплаве ацетамида при температуре выше температуры плавления индия. Перед электрохимическим осаждением индия при температуре выше температуры плавления индия целесообразно провести нанесение слоя индия толщиной 1-3 мкм электрохимическим осаждением в расплаве ацетамида при температуре ниже температуры плавления индия. При этом в качестве адгезионного слоя наносят Ti, а в качестве барьерно-адгезионного слоя наносят Ni. Окисление адгезионного слоя и активацию барьерно-адгезионного слоя проводят, например, одновременно в растворе азотной кислоты.
Новым в предложенном способе является то, что перед электрохимическим осаждением проводят окисление адгезионного слоя и активацию барьерно-адгезионного слоя. Создание окисла на поверхности адгезионного слоя обеспечивает его защиту от осаждения индия при электрохимическом осаждении, а активация барьерно-адгезионного слоя улучшает адгезионную однородность осаждаемого материала. При этом отпадает необходимость в применяемой в прототипе операции нанесения золота.
Также новым является то, что вместо известного электрохимического осаждения оловянно-свинцового припоя проводят электрохимическое осаждение индия, чем достигается повышение надежности сборки ИС и работоспособности ИС после сборки в широком диапазоне рабочих температур. Проведение электрохимического осаждения индия в расплаве ацетамида при температуре выше температуры плавления индия обеспечивает формирование контактов в виде микросфер в самом процессе осаждения, что дополнительно снижает трудоемкость, так как исключает отдельную операцию сферизации. В завершение процесса изготовления удаляют адгезионный слой вместе со слоем образованного на нем окисла.
Перед электрохимическим осаждением индия при температуре выше температуры плавления индия целесообразно нанесение предварительного слоя индия толщиной 1-3 мкм при температуре ниже температуры плавления индия, так как это способствует формированию равномерного слоя индия на начальной стадии осаждения. Нанесение предварительного слоя индия проводят совместно с осаждением микросфер в одном технологическом переделе электрохимического осаждения, при этом первоначально расплав ацетамида нагревают до температуры ниже температуры плавления индия, проводят осаждение предварительного слоя толщиной 1-3 мкм, затем повышают температуру расплава до температуры выше температуры плавления индия для формирования индиевых микросфер. Толщина предварительного слоя индия 1-3 мкм является оптимальной, так как при толщине менее 1 мкм возможно нарушение целостности покрытия, а более 3 мкм - возможны наплывы, что негативно может сказаться на дальнейшей операции осаждения.
Материалом для формирования адгезионного слоя является, например Ti, который обладает хорошей адгезией как к повсеместно используемому материалу контактных площадок - алюминию, так и к наносимым последующим слоям. Материалом для формирования барьерно-адгезионного слоя может быть, например Ni, который помимо хорошей адгезии обладает защитными свойствами по отношению к предыдущей структуре. Также в качестве адгезионного слоя может использоваться Сr, а в качестве барьерно-адгезионного - или Сu, или Аu, или Ag.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 приведена схема последовательности операций способа изготовления микросфер индия для сборки ИС:
а) - исходное состояние,
б) - нанесение на пластину с интегральными микросхемами с контактными площадками адгезионного слоя,
в) - нанесение барьерно-адгезионного слоя,
г) - нанесение фоторезиста на области формирования контакта,
д) - травление барьерно-адгезионного слоя вне областей формирования контакта,
е) - снятие фоторезиста,
ж) - окисление адгезионного слоя и активация барьерно-адгезионного слоя,
з) - электрохимическое осаждение индия,
и) - удаление вне областей осаждения индия адгезионного слоя и слоя образованного на нем окисла, где
1 - пластина с ИС,
2 - контактные площадки к ИС,
3 - защитное диэлектрическое покрытие ИС,
4 - адгезионный слой,
5 - барьерно-адгезионный слой,
6 - слой фоторезиста для формирования барьерно-адгезионного слоя над контактной площадкой,
7 - слой окисла над адгезионным слоем,
8 - контактная микросфера индия.
На фиг.2 приведена схема ИС с индиевыми микросферами, полученными предложенным способом.
На фиг.3 приведен вариант конструкции ванны для электрохимического осаждения индия.
На фиг.4 - микрофотография индиевых микросфер, полученных в результате электрохимического осаждения.
Предложенный способ был разработан для изготовления индиевых микросфер для сборки ИК фотоприемника с фоточувствительными элементами на основе силицида платины с кремниевым мультиплексором. В качестве адгезионного слоя был выбран Ti, в качестве барьерно-адгезионного слоя - Ni. На всю поверхность пластины 1 с алюминиевыми контактными площадками 2 и диэлектрическим, например, оксинитридным, покрытием 3 проводилось напыление слоя Ti толщиной ~0,08 мкм, который в дальнейшем также используется как проводник тока ко всем контактным площадкам при электрохимическом осаждении индия, и никеля толщиной ~ 0,2 мкм. Напыление слоев Ti и Ni проводилось последовательно в одном переделе методом магнетронного распыления. Затем проводят стандартный фотолитографический процесс для формирования барьерно-адгезионного слоя Ni над контактными площадками, который проходит в четыре стадии, проиллюстрированные на фиг.1 в, г, д и е, а именно, после нанесения на всю поверхность слоя Ni (в) формируют маску фоторезиста над контактными площадками 2 (г), после чего химически травят слой Ni в 30% растворе азотной кислоты, оставляя его над контактными площадками, (д) и удаляют фоторезист (е). Следующими операциями в способе изготовления микросфер являются окисление адгезионного слоя и активация барьерно-адгезионного слоя, в разработанном процессе эти операции согласованы таким образом, что возможно их одновременное проведение погружением пластины 1 с нанесенными на нее слоями Ni 4 и Ti 5 в кювету с 30% раствором азотной кислоты (HNO3) до образования на слое Ti слоя окисла толщиной ~0,02 мкм, что является достаточным для его защиты при осаждении индия, и осуществляется химическая активация (декапирование) барьерно-адгезионного слоя Ni.
Далее следует операция электрохимического осаждения индия, которая проводится в устройстве, схема которого приведена на фиг.3. В нагреватель 9 вставляется фторопластовая ванна 10, на дно которой помещен индий 11, служащий анодом при осаждении. Индий залит высокотемпературным безводным электролитом 12 - ацетамидом (СН3СОNН2). Система нагревается до температуры, чуть ниже температуры плавления индия (температура плавления индия - 155,6°С), то есть до 140-150°С. В ванну вставляется кристаллодержатель 13 с пластиной 1 со слоями Ni 4, Ti 5 и окисла 7. Отрицательный потенциал подводится к адгезионному слою 4.
Кристаллодержатель накрывается крышкой 14 с электродом 15, на который подается отрицательный потенциал. Процесс осаждения до образования предварительного подслоя индия толщиной 1-3 мкм, затем температура в ванне увеличивается до 160-180°С, то есть становится выше температуры плавления индия. Перегрев расплава выше 180°С нецелесообразен, так как, не давая других преимуществ, приводит к ускорению процесса испарения ацетамида. Происходит процесс осаждения индия при температуре выше температуры плавления, при этом, поскольку осаждаемый индий находится в жидком состоянии, за счет сил поверхностного натяжения образуются оплавленные микросферы. Затем пластину с ИС и осажденными на ней микросферами вынимают из ванны и промывают в воде. Далее следует операция селективного травления титана и окисла в перекиси водорода или слабом растворе плавиковой кислоты (HF).
В результате предлагаемого способа получены микросферы индия, микрофотография которых приведена на фиг.4.
Таким образом, использование предполагаемого изобретения позволяет уменьшить трудоемкость изготовления микросфер для сборки ИС и повысить надежность самой сборки за счет уменьшения количества операций, снижения расхода материалов и использования процесса электрохимического осаждения индия.
Использование заявляемого способа также обеспечивает значительное уменьшение расхода материала и трудоемкости при осаждении по сравнению с аналогами, в которых происходит напыление индия. Уменьшение расхода индия достигается тем, что при электрохимическом осаждении материал расходуется только на формирование микросфер на контактных площадках, в то время как при вакуумном напылении индий распыляется по всем направлениям, то есть на всю подколпачную поверхность.
1. Способ изготовления микросфер для сборки интегральных схем, включающий нанесение на пластину с интегральными микросхемами с контактными площадками адгезионного слоя, формирование барьерно-адгезионного слоя над контактными площадками, окисление адгезионного слоя и активацию барьерно-адгезионного слоя, электрохимическое осаждение индия в расплаве ацетамида при температуре выше температуры плавления индия и удаление вне областей осаждения индия адгезионного слоя и слоя образованного на нем окисла.
2. Способ изготовления микросфер для сборки интегральных схем по п.1, отличающийся тем, что перед электрохимическим осаждением индия при температуре выше температуры плавления индия проводят нанесение слоя индия толщиной 1-3 мкм электрохимическим осаждением в расплаве ацетамида при температуре ниже температуры плавления индия.
3. Способ изготовления микросфер для сборки интегральных схем по п.1 или 2, отличающийся тем, что в качестве адгезионного слоя наносят Ti, а в качестве барьерно-адгезионного слоя наносят Ni.
4. Способ изготовления микросфер для сборки интегральных схем по п.3, отличающийся тем, что окисление адгезионного слоя и активацию барьерно-адгезионного слоя проводят одновременно в растворе азотной кислоты.
