КРЕМНИЕВАЯ КОММУТАЦИОННАЯ ПЛАТА ДЛЯ МНОГОКРИСТАЛЬНЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МОДУЛЕЙ

Полезная модель относится к элементам конструкции модулей, в одном корпусе объединяющих несколько кремниевых кристаллов полупроводниковых приборов.
Для сборки сложных полупроводниковых устройств известно применение коммутационных плат, обеспечивающих электрические связи выводов одного или нескольких кристаллов с выводами корпуса посредством проволочных соединений, см., например, патент США №5332864, НПК 174/52.4, МПК H01L 23/02, опубликованный 26 июля 1994 г. [1]. В этом устройстве применена коммутационная плата, обеспечивающая подключение выводов полупроводникового кристалла к выводам корпуса в условиях, когда непосредственные проволочные соединения выполнить невозможно из-за большой разницы плотностей размещения контактных площадок кристалла и выводов корпуса. Коммутационная плата представляет собой тонкую гибкую диэлектрическую пластинку с одним слоем проводников на поверхности. Такая конструкция платы снижает возможности ее применения в многокристальных модулях, из-за сложности выполнения пересекающихся электрических связей. Кроме того, диэлектрический материал коммутационной платы может обладать недостаточной теплопроводностью для отвода тепла от кристаллов к основанию корпуса и сильно отличаться от кремния по коэффициенту термического расширения, что вместе снижает и прочность, и надежность всей конструкции модуля.
Эти недостатки удается устранить в случае выполнения коммутационной платы в виде кремниевой подложки с нанесенными на ее поверхность несколькими слоями металлической разводки, разделенными слоями диэлектрика, как описано в патенте РФ на полезную модель №154339 МПК H01L 25/00, H01L 23/482, H01L 23/50, Н05К 1/14, опубликованном 20 августа 2015 г. [2]. По технической сущности данное устройство наиболее близко заявляемой полезной модели.
Наиболее близкий аналог - кремниевая коммутационная плата для многокристальных интегральных модулей, состоит из подложки из кремния, на поверхность которой нанесены чередующиеся слои диэлектрика и металлической разводки с межслойными соединениями и контактными площадками для подключения выводов устанавливаемых на плату кристаллов и выводов корпуса.
Коммутационная плата на основе кремния по коэффициенту термического расширения идентична устанавливаемым на нее кристаллам, а по теплопроводности кремний превосходит многие широко применяемые диэлектрические материалы. Многослойность разводки повышает возможности выполнения электрических связей.
Однако, при сборке модуля контактные площадки платы подвергаются давлению, особенно в процессе присоединения проволочных связей. Это может привести к образованию трещин в слоях диэлектрика между контактными площадками и подложкой. Во время работы устройства металл контактных площадок в результате электродиффузии мигрирует в трещины, создавая каналы утечки.
Технический результат полезной модели заключается в предотвращении возможности образования каналов утечки между контактными площадками и подложкой.
Технический результат достигается тем, что в кремниевой коммутационной плате для многокристальных интегральных модулей, состоящей из подложки из кремния определенного типа проводимости, на поверхность которой нанесены чередующиеся слои диэлектрика и металлической разводки с межслойными соединениями и контактными площадками для подключения выводов устанавливаемых на плату кристаллов и выводов корпуса, под каждой контактной площадкой в приповерхностном слое кремниевой подложки сформирована отдельная область противоположного подложке типа проводимости.
Указанное выполнение устройства позволяет создать под контактными площадками области, изолированные друг от друга встречно последовательно включенными P-N переходами.
Отличительными признаками полезной модели являются элементы физической структуры кремниевой подложки.
Полезная модель поясняется чертежом сечения физической структуры фрагмента кремниевой коммутационной платы с контактной площадкой и межслойными соединениями.
Кремниевая коммутационная плата для многокристальных интегральных модулей состоит из подложки из кремния определенного типа проводимости - на поясняющем чертеже Р-типа, на поверхность которой нанесены слои 1, 2, …7 диэлектрика, чередующиеся со слоями 8, 9, 10, 11 12 металлической разводки, межслойные соединения 13, 14, 15, 16 и контактная площадка для подключения выводов устанавливаемых на плату кристаллов или выводов корпуса. Под контактной площадкой в приповерхностном слое кремниевой подложки сформирована отдельная область в данном примере N-типа проводимости.
Указанную плату можно изготовить следующим образом.
В кремниевой монокристаллической подложке Р-типа проводимости в местах расположения контактных площадок методом фотолитографии и имплантации примеси формируют области N-типа проводимости глубиной 1,5 мкм.
Далее осаждают слой 1 оксида кремния толщиной 0,9 мкм.
Затем осаждают слой 8 алюминия толщиной 0,5 мкм и методом фотолитографии формируют первый уровень металлической разводки.
Далее осаждают диэлектрический слой 2, в котором при помощи фотолитографии вскрывают отверстия 13, заполняемые вольфрамом для получения контактов к проводникам следующего выше металлического слоя 9. Слой 2 выравнивают шлифовкой до толщины 0,6 мкм над проводниками в слое 8.
Аналогичным образом с теми же размерами создают второй уровень разводки в слое 9 алюминия и покрывающий его слой 3 диэлектрика с заполненными вольфрамом соединительными отверстиями 14, а потом и третий уровень разводки в слое 10 алюминия.
Затем осаждают слой 4 диэлектрика, методом фотолитографии вскрывают в нем заполняемые вольфрамом отверстия 15 и выравнивают поверхность, оставляя над проводниками третьего уровня в слое 10 диэлектрик толщиной 0,8 мкм.
Четвертый уровень разводки формируют фотолитографическим методом в слое 11 алюминия, осаждаемом до толщины 0,92 мкм. Посредством осаждения его накрывают диэлектрическим слоем 5 с отверстиями 16, заполняемыми вольфрамом. Выравнивающей шлифовкой поверхности слоя 5 его толщину над проводниками четвертого уровня в слое 11 доводят до 0,8 мкм.
В слое 12 алюминия толщиной 0,92 мкм, наносимым и обрабатываемым так же, как слой 11 создают разводку пятого уровня, поверх которой осаждают диэлектрические защитные слой 6 и 7 оксида и нитрида кремния с толщинами 0,5 и 0,4 мкм соответственно.
В защитных слоях 6 и 7 методом фотолитографии формируют окна в местах расположения контактных площадок до верхнего слоя 12 алюминия.
Во время сборки многокристального модуля при появлении трещин в слоях диэлектрика между контактными площадками и кремниевой подложкой в результате давления, оказываемого на контактные площадки в процессе присоединения связей, образующиеся в трещинах каналы утечки будут прерваны P-N переходами, отделяющими области под контактными площадками от подложки. Для повышения изолирующего эффекта P-N переходов на подложку кремниевой коммутационной платы целесообразно подать электрический потенциал, обеспечивающий их безусловное обратное смещение.