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 воспро-
изводимости 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 ко-
бальтсодержащих 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 «ноу-
хау» вопросы остаются за рамками рекламных сообщений [14, 15].
Таким образом, проблема получения высококачественных функциональных 
тонкопленочных покрытий с высокой воспроизводимо-
стью 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-

Планарные контакты, межэлементные соединения и контактные площадки

таллов и их надежности, являются проводящий и защитный слои [3, 
12]. Разумеется, удовлетворить многочисленным и часто противоречивым 
требованиям, предъявляемым к ТСМ и технологии их изготовления, 
при использовании одного какого-либо металла или сплава 
сложно. Поэтому широкое распространение в современных БИС получили 
многослойные ТСМ, в которых материал каждого функционального 
слоя наиболее полно удовлетворяет предъявляемым к нему 
требованиям.
Для получения контактных слоев к локальным областям Si-кристалла 
наиболее перспективными материалами представляются такие 
металлы платиновой группы, как Pt, Pd, Ru, образующие переходные 
слои силицидов с низким контактным сопротивлением – для силицида 
платины, например, не выше 10
–5–10
–6 Ом×см
2 при концентрации 
легирующей примеси в Si выше 10
19 см
–3 [18]. Металлы платиновой 
группы позволяют также обеспечить формирование самосовмещен-
ных контактов, однако их применение сдерживается заметным проникающим 
действием образующихся силицидов вглубь кремниевой 
подложки, что критично в случае мелко залегающих р-n-переходов, 
а также термических воздействий, например при микросборке кристаллов [
17]. Несколько снизить эффект проникновения таких силицидов 
при термообработке можно легированием исходных тонких 
пленок платиновых металлов тугоплавкими металлами. Так, энергия 
активации роста силицида для сплавов Pd-V, Pd-W повышается соответственно 
до 1,44–1,52 эВ (для чистого Рd – 1,40 эВ), вследствие чего 
при термообработке снижается проникновение фазы Pd2Si вглубь 
кремния при сохранении электрических свойств контакта [19].
Тугоплавкие переходные металлы, такие как W, V, Ti и др., также 
могут использоваться в качестве контактных или барьерных слоев 
в многослойной структуре ТСМ, а в ряде случаев функции контактных 
и барьерных слоев совмещаются при использовании лишь 
одного слоя из этих металлов. Эти металлы, а также некоторые их 
сплавы, например псевдосплав W-Ti, применяются наиболее часто, 
так как в целом полнее отвечают комплексу требований по основным 
электрофизическим свойствам: минимальным удельному электрическому 
сопротивлению, удельному переходному сопротивлению контактов 
к силицидным и металлическим слоям, остаточным механическим 
напряжениям, структурной однородности.
При этом преимущественным диффундирующим компонентом 
в системе Si/металл при температурах образования силицидов выше 
600 °С является Si (хотя для систем типа Si/Рt и Si/Рd таким компо-

Особенности тонкопленочных покрытий для кристаллов БИС
12

нентом остаeтся металл). Поэтому проникающее действие силицида 
тугоплавкого переходного металла вглубь кремния при термообработках 
снижается [13], а энергия активации процесса образования 
таких силицидов превышает 2 эВ [20]. Расходование Si подложки 
при формировании силицидов можно еще сильнее уменьшить при 
нанесении предварительно синтезированных силицидов [1], имплантации 
ионов Si в пленку металла [21] либо формировании подслоев 
моно- или поликристаллического Si [22].
Следует, однако, отметить, что, используя в качестве контактных 
материалов тугоплавкие переходные металлы, не удается обеспечить 
электрические характеристики силицидных структур, сравнимые 
с характеристиками контактов из металлов платиновой группы. 
Например, удельное переходное сопротивление контактов на основе 
WSi2, TaS2, VSi2, TiSi2 к кремнию, легированному до 10–19 см
–3, 
находится в диапазоне 10
–3–10
–4 Ом×см
2 [1]. Представляет интерес 
также применение в качестве барьерных слоев двойных сплавов тугоплавких 
переходных металлов, таких как Тi-W и Мо-Rе, нитридов 
(ТiN, HfN, ZrN) и различных комбинаций слоев различного состава, 
в том числе с использованием проводящих оксидных пленок, например 
ТiО2 или RuO2. ТСМ типа W/ТiN/ТiSi2/Si с барьерным слоем, 
формируемым быстрым термическим азотированием поверхности 
TiSi2, стабильна до температуры 900 °С [23]. Вместе с тем тугоплавкие 
металлы не только предотвращают взаимодействие между 
верхним проводящим слоем (Аl, Аu, Аg) и Si-подложкой, но их силициды 
меньше взаимодействуют с металлом проводящего слоя, 
по сравнению с силицидами платиновых металлов, что уменьшает 
вероятность образования высокоомных интерметаллических соединений.

К числу главных требований к материалам основных токопроводящих 
слоев относятся низкое удельное сопротивление и высокая 
устойчивость к термоэлектромиграции.
Сопротивление ТСМ, возрастающее при масштабировании БИС, 
оказывает сильное влияние на быстродействие (рис. 1.1) [24]. При 
этом, когда характеристический размер затворов МОП БИС становится 
меньше 2 мкм, дальнейшее масштабирование целесообразно 
лишь при использовании низкоомных ТСМ, а относительно высоко-
омные пленки поликристаллического кремния становятся неприемлемыми.

Другими словами, сопротивление ТСМ непосредственно определяет 
результаты масштабирования БИС. Уменьшение ширины 

Планарные контакты, межэлементные соединения и контактные площадки

словарных и адресных шин, а также межэлементных пленочных соединений 
позволяет снизить потери полезной площади кристалла, 
на которой дополнительно можно разместить активные элементы. 
В этой связи для БИС актуальна интеграция в третьем измерении, 
которая может реализовываться в двух- и трехуровневых ТСМ, причем 
площадь, занимаемая нижним уровнем, должна минимизироваться.

Для многоуровневых ТСМ с учетом необходимости создания 
меж уровневой изоляции важно знать, помимо сопротивления основных 
токопроводящих слоев, такие характеристики материалов, 
как термостойкость, температурный коэффициент линейного расширения (
ТКЛР), возможность формирования устойчивого оксида на 
поверхности проводящего слоя и другие технологические особенности. 
Поэтому в качестве материалов основных токопроводящих слоев 
нижних уровней наряду с поликристаллическим кремнием более 
широкое применение получают тугоплавкие металлы либо их силициды. 
Алюминий и его сплавы как наиболее низкоомные из проводящих 
материалов (табл. 1.1) используются для верхних уровней ТСМ. 
Сочетая токопроводящие слои из различных материалов в нижних и 
верхних уровнях разводки многоуровневых ТСМ, удается получить 
значительно более компактные и быстродействующие БИС, чем при 
использовании одноуровневых ТСМ. Характерные примеры биполярных 
и МОП (металл–оксид–полупроводник) транзисторных 
структур с многоуровневыми ТСМ приведены на рис. 1.2, 1.3 [25]. 

Рис. 1.1. Влияние технологического уровня, 
оцениваемого по характеристическому размеру 
топологического рисунка затворов (W3) МОП БИС, 
на время задержки сигнала (τ3)