СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВЕРТИКАЛЬНЫХ КОНТАКТНЫХ СТРУКТУР НА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПЛАСТИНАХ ИЛИ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТАХ
METHOD OF VERTICAL CONTACT STRUCTURES MAKING ON SEMICONDUCTOR PLATES OR PRINTED CIRCUIT BOARDS

Изобретение относится к области микроэлектронной техники и может быть использовано при высокоплотном монтаже полупроводниковых кристаллов на различные платы с большим количеством контактных межсоединений, а также при 3-D монтаже кристалла на кристалл.
7
Известен способ изготовления контактных столбиков на полупроводниковом кристалле заключающийся в том, что к контактным площадкам нагретого выше температуры плавления припоя кристалла опускают проволоку из припоя и выдерживают ее до расплавления нижней части с образованием шарика. При этом отрезки проволоки из припоя, каждый размером равный объему контактного столбика, совмещают с контактными площадками кристалла через конические отверстия в пластине, вплотную прижатой к кристаллу, при этом угол конуса в отверстии равен краевому углу смачивания припоем металла контактной площадки, после этого кристалл нагревают до температуры расплавления припоя [Способ изготовления контактных столбиков на полупроводниковом кристалле: Патент 2207660 Российская Федерация, МПК H01L 23/48. Заявл. 27.12.2001; опубл. 27.06.2003].
Недостатками способа являются:
1. Большая вероятность брака из-за использования маски (пластины) с коническими отверстиями: при удалении маски затвердевший вертикальный столбик припоя прилипает к внутренним стенкам и удаляется вместе с ней.
2. При нарезке проволоки из припоя с толщиной менее 100 мкм трудно воспроизвести равенство длины (объема) для всех отрезков проволоки.
3. В процессе изготовления контактных столбиков на полупроводниковом кристалле необходима процедура нагрева до температуры расплавления припоя.
4. Затруднительно обрабатывать полупроводниковые пластины с диаметром более 100 мм, так как маску малой толщины (равной высоте контактного столбика) такого диаметра невозможно вплотную прижать к пластине.
Данные обстоятельства усложняют технологических процесс, не позволяют сформировать столбики одинаковой высоты, а также получить столбики с малым (менее 50 мкм) диаметром и с высоким аспектным отношением (соотношение высоты столбика и его диаметра).
4
Известен способ создания контактных столбиков на кристалле полупроводникового прибора [Создание контактного столбика: Заявка 1256154 Япония, МКИ H01L 21/92. Заявл. 06.04.88; опубл. 12.10.89]. По данному способу кристалл помещают на разогретый столик и выдерживают в течение некоторого времени. Затем, на контактную площадку опускают тонкую проволоку припоя и выдерживают в таком положении до тех пор, пока нижняя часть проволоки не расплавится с образованием шарика. После этого проволоку поднимают и переносят на следующую контактную площадку. Когда шарики припоя нанесены на все контактные площадки кристалла, столик охлаждают и припой застывает, образуя контактные столбики. Данный способ реализуется при температуре нагрева столика выше температуры плавления припоя, а диаметр проволоки несколько меньше размера контактной площадки. Данные операции проводят в защитной среде.
Недостатком данного способа является большая трудоемкость и время изготовления контактных столбиков на кристаллах БИС и СБИС, имеющих десятки и сотни контактных площадок. Кроме того, данным способом невозможно получать контактные столбики с диаметром менее 50 мкм. Более того, данным способом нецелесообразно формировать контактные столбики на алюминиевых контактных площадках кристаллов из-за возрастания контактного сопротивления (увеличение толщины оксидной пленки на поверхности контактной площадки) при длительной выдержке при повышенной температуре.
Известен способ формирования бессвинцовых пайных выступов с использованием электрохимического осаждения [WO 01/63668 А2], включающий нанесение на углубления контактных площадок сплава титан-вольфрам, нанесение фоторезиста, вскрытие окон в контактных площадках, электрохимическое осаждение пайного материала (сплавы олова, серебра, меди, висмута) во вскрытые окна и последующий нагрев до температуры плавления пайного материала (245-260°С). В результате на контактных площадках формируются шарики бессвинцового припоя за счет несмачиваемости материала поверхности контактных площадок (покрытых сплавом титан-вольфрам) и пайного материала.
Недостатками данного способа является сложность технологического процесса и получение контактных выступов с высотой, равной их диаметру, что не позволяет проводить монтаж кристаллов с контактными площадками размером менее 50 мкм и таким же расстоянием между ними.
5
Наиболее близким по технической сущности является способ изготовления контактных выступов из припоя на кристалле [Изготовление контактных выступов из припоя: Заявка 252436 Япония, МКИ H01L 21/321. Заявл. 17.08.88; опубл. 22.02.90], включающий последовательное нанесение на кристалл слоя диэлектрика, слоя металла и слоя позитивного фоторезиста, вскрытие контактных площадок, напыление пленок Cr/Cu/Au, нанесение второго слоя фоторезиста, химическое осаждение в окна в нем припойного сплава или Sn, удаление двух слоев фоторезиста с частью металлизации между ними и оплавления припоя.
В данном способе слой диэлектрика, с вытравленными до поверхности контактных площадок окнами (колодцами), формирует вертикальный контактный выступ с ровной боковой поверхностью. Высота контактного выступа равна толщине диэлектрика. Недостатком способа является использование диэлектрической маски с толщиной, равной высоте контактного выступа, которую в последствии необходимо удалять. Формирование толстого слоя диэлектрика приводит к образованию больших механических напряжений на границе раздела и возможности отрыва контактных площадок от поверхности полупроводникового кристалла. Кроме того, в способе присутствует термическая обработка, необходимая для оплавления припоя. Все это усложняет технологический процесс и увеличивает процент брака.
Изобретение направлено на снижение трудоемкости изготовления вертикальных контактных структур на полупроводниковых пластинах с кристаллами или печатных (монтажных) платах, повышение количества вертикальных контактных структур на единицу площади, получение вертикальных контактных структур с аспектным отношением (отношение высоты к диаметру) от 1 до 4, а также возможность проведения процессов на больших размерах полупроводниковых пластин с кристаллами или печатных (монтажных) плат без их нагрева.
Данный технический результат достигается тем, что на полупроводниковую пластину с кристаллами, имеющими контактные площадки, или печатную (монтажную) плату с контактными площадками наносят слой фоторезиста, после экспонирования и проявления слоя фоторезиста над контактными площадками полупроводникового кристалла или контактными площадками печатной (монтажной) платы вскрывают окна до металла контактных площадок диаметром, равным диаметру вертикальной контактной структуры, после чего полупроводниковую пластину с кристаллами или печатную (монтажную) плату помещают в ванну с первым электролитом и электрохимическим способом осаждают в область контактной площадки, не закрытой фоторезистом, магнитный материал, являющийся основанием вертикальной контактной структуры, затем в ванной со вторым электролитом на основание вертикальной контактной структуры осаждают пайный материал контактной структуры. При этом первый электролит включает в свой состав соль магнитного металла (например, сульфат никеля), а второй электролит соли металлов для формирования пайного контакта (например, сульфат олова, сульфат индия, нитрат серебра, соли висмута). Состав и концентрация компонентов в электролитах может изменяться в зависимости от соотношения компонентов в электролитах и электроотрицательностью осаждаемого металла, входящего в состав электролитов, а также необходимой температуры пайки. При использовании двухстадийного процесса (последовательное осаждение в двух электролитах) основание вертикальной контактной структуры (магнитный материал) при последующей процедуре пайки кристалла на полупроводниковую пластину или печатную плату играет роль ограничителя (фиксатора) расстояния от кристалла до поверхности полупроводниковой пластины или печатной платы. Данное обстоятельство необходимо для того, чтобы при пайке монтируемый кристалл не приходил в соприкосновение с поверхностью полупроводниковой пластины или печатной платы. Если при монтаже кристалла между контактными площадками кристалла и полупроводниковой пластины или печатной платы будет присутствовать только пайный материал, то, в случае неудовлетворительного контроля зазора между монтажными поверхностями, пайный материал выдавливается за область контактных площадок, что приводит к короткому замыканию между контактными площадками и, как следствие, к нефункциональности изделия.
Кроме этого, электрохимическое осаждение на первом этапе проводят в постоянном магнитном поле, силовые линии которого направлены перпендикулярно поверхности осаждения, при этом уже осажденный магнитный материал, являющийся основанием вертикальной контактной структуры, выступает как концентратор магнитного поля, а изменение боковой поверхности вертикальной контактной структуры, формируемой выше толщины фоторезиста, может изменяться при создании градиента магнитного поля, причем для получения вертикальных контактных структур в форме прямого (сходящегося) конуса - необходимо повышение плотности силовых линий магнитного поля в направлении роста вертикальной контактной структуры, для получения обратного (расходящегося) конуса - необходимо уменьшение плотности силовых линий магнитного поля в направлении роста вертикальной контактной структуры, для получения параллельной боковой поверхности вертикальной контактной структуры - необходимо чтобы плотность силовых линий магнитного поля при формировании вертикальной контактной структуры до превышения толщины фоторезиста была равной плотности силовых линий магнитного поля после превышения толщины фоторезиста. Электрохимическое осаждение во втором электролите осуществляется обычным способом, т.е. без применения магнитного поля.
Предлагаемое изобретение поясняется следующими чертежами.
На фиг. 1 представлено изображение контактной площадки с нанесенным фоторезистом.
На фиг. 2 представлено изображение вскрытого окна на контактной площадке.
На фиг. 3 представлено изображение пластины в магнитном поле с параллельными силовыми линиями.
На фиг. 4 представлено изображение пластины в магнитном поле со сходящимися силовыми линиями.
На фиг. 5 представлено изображение пластины в магнитном поле с расходящимися силовыми линиями.
На фиг. 6 представлено изображение начала процесса электрохимического осаждения материала во вскрытом окне фоторезиста (основание контактной структуры).
На фиг. 7 представлено изображение результата электрохимического осаждения материала без приложения магнитного поля.
На фиг. 8 представлено изображение результата электрохимического осаждения материала с приложением безградиентного магнитного поля (параллельные силовые линии).
На фиг. 9 представлено изображение результата электрохимического осаждения материала с приложением градиентного магнитного поля (сходящиеся силовые линии).
На фиг. 10 представлено изображение результата электрохимического осаждения материала без приложения магнитного поля (расходящиеся силовые линии).
На фиг. 11 представлено изображение результата электрохимического осаждения пайного материала из второго электролита.
На фиг. 12 представлено конечное изображение вертикальной контактной структуры на полупроводниковой пластине или печатной плате с пайным материалом.
Сущность предлагаемого решения состоит в следующем.
На полупроводниковую пластину с кристаллами (1), имеющими контактные площадки (2), или печатную (монтажную) плату (керамика, поликор, стеклотекстолит) с контактными площадками (2) наносится слой фоторезиста (3) (фиг. 1). После экспонирования и проявления над контактными площадками (2) вскрываются окна (4) до металла площадок (фиг. 2) диаметром, равным диаметру основания вертикальной контактной структуры. Затем полупроводниковую пластину с кристаллами или печатную (монтажную) плату помещают в ванну с электролитом, содержащим соль магнитного металла (например, сульфат никеля), и электрохимическим способом осаждают в область контактной площадки, не закрытой фоторезистом, магнитный материал, являющийся основанием вертикальной контактной структуры. Длительность процесса осаждения определяется требуемой высотой основания контактной структуры и зависит от концентрации компонент электролита и плотности тока. Затем в ванной со вторым электролитом электрохимическим способом без использования магнитного поля осаждают на основание вертикальной контактной структуры пайный материал вертикальной контактной структуры, содержащий соли металлов для формирования пайного контакта (например, сульфат олова, сульфат индия, нитрат серебра, соли висмута). Состав и концентрация компонентов в электролитах может изменяться в зависимости от необходимой температуры пайки и составляет:
4
2
NiSO·7HO - 250-300 г/л (в пересчете на металл);
4
SnSO - 40-50 г/л;
2
4
3
In(SO) - 10-40 г/л;
2
4
HSO - 90-100 г/л.
Электролитическая ванна снабжена магнитными системами (5), которые представляют собой либо постоянные магниты, изолированные от химического контакта с электролитом, либо соленоиды, по которым пропускается постоянный электрический ток. Конфигурация и расположение магнитных систем, а также напряженность создаваемого магнитного поля, должна обеспечивать одно из следующих условий:
1. Параллельность силовых линий магнитного поля и их перпендикулярность поверхности осаждения (фиг. 3).
2. Прямую конусность силовых линий магнитного поля (сходимость над поверхностью осаждения), при этом силовые линии, исходящие из подложки, должны быть перпендикулярны поверхности осаждения (фиг. 4).
3. Обратную конусность силовых линий магнитного поля (расходимость над поверхностью осаждения), при этом силовые линии, исходящие из подложки, должны быть перпендикулярны поверхности осаждения (фиг. 5).
2
2
2
2
На контактные площадки полупроводниковой пластины с кристаллами или печатной (монтажной) платы подается отрицательный потенциал относительно анода. Плотность катодного тока задается в пределах не менее 0,5 А/дм и не более 2 А/дм. При плотности тока менее 0,5 А/дм снижается скорость роста. При плотности тока более 2 А/дм вертикальная контактная структура имеет пористую структуру, что ухудшает качество контакта и повышает его сопротивление. Температуру электролита в процессе осаждения поддерживают в диапазоне 20-50 С°. При протекании тока в электрохимической цепи на поверхность контактной площадки начинает осаждаться магнитный материал (фиг. 6, поз. 6) (например, никель, если электролит состоит только из сульфата никеля), либо сплав, состав которого определяется соотношением компонентов в электролите и электроотрицательностью осаждаемого металла, входящего в состав электролита (фиг. 6). Материал контактной структуры осаждается в области контактной площадки, не закрытой фоторезистом. Далее процесс осаждения происходит на верхней поверхности вертикальной контактной структуры, так как боковая поверхность закрыта фоторезистом, что определяет направление роста, перпендикулярное поверхности. После того, как высота осажденного материала превысит толщину фоторезиста, у вертикальной контактной структуры появляется боковая поверхность.
При отсутствии магнитного поля осаждение материала контактной структуры происходит по всей открытой поверхности, и первоначальная форма контактной структуры искажается, при этом скорость бокового роста практически равна скорости вертикального роста (фиг. 7).
При приложении магнитного поля уже осажденный магнитный материал вертикальной контактной структуры выступает как концентратор магнитного поля, при этом, если силовые линии магнитного поля входят в основание вертикальной контактной структуры перпендикулярно его нижней поверхности, то они и выходят из верхней поверхности основания вертикальной контактной структуры также перпендикулярно (фиг. 8). В этом случае движение ионов магнитного металла вертикальной контактной структуры в электролите к катоду осуществляется по направлению увеличения плотности силовых линий магнитного поля, которая будет максимальна на верхней поверхности основания вертикальной контактной структуры. Таким образом, электрохимическое осаждения магнитного материала вертикальной контактной структуры происходит только на верхнюю поверхность основания вертикальной контактной структуры, что определяет исключительно направленный рост вертикальной контактной структуры перпендикулярно от поверхности практически без бокового нарастания материала вертикальной контактной структуры и сохранение геометрических размеров вертикальной контактной структуры как в основании, так и на ее вершине.
Изменение формы боковой поверхности вертикальной контактной структуры может быть реализовано при создании градиента магнитного поля. Для получения вертикальных контактных структур в форме прямого (сходящегося) конуса необходимо повышение плотности силовых линий магнитного поля в направлении роста вертикальной контактной структуры (фиг. 9). Для получения вертикальных контактных структур в форме обратного (расходящегося) конуса необходимо уменьшение плотности силовых линий магнитного поля в направлении роста вертикальной контактной структуры (фиг. 10). Для получения вертикальных контактных структур с параллельными боковыми стенками интегральный градиент магнитного поля должен отсутствовать, т.е. плотность силовых линий магнитного поля до поверхности роста, должна быть равна плотности силовых линий магнитного поля после поверхности роста.
Осаждении пайного материала из второго электролита, содержащего соли пайных металлов, осуществляется электрохимическим способом без применения магнитного поля. При осаждении пайного материала из второго электролита, содержащего соли пайных металлов, вертикальная контактная структура равномерно покрывается пайным материалом (фиг. 11, поз. 7). Вертикальная контактная структура из магнитного материала, осажденная в первом электролите, фиксирует зазор между монтируемым кристаллом и полупроводниковой пластиной или печатной (монтажной) платой и препятствует растеканию (выдавливанию) пайного материала вертикальной контактной структуры при нагреве и монтаже.
После формирования контактных структур фоторезист с поверхности полупроводниковой пластины или монтажной (печатной) платы удаляют, получая, тем самым, полупроводниковую пластину или монтажную (печатную) плату с вертикальными контактными структурами годную для дальнейшего процесса пайки (фиг. 12).