Микроконтакт для фотоприемной гибридной микросхемы
MICROCONTACT FOR PHOTO-RECOMMENDED HYBRID MICROCIRCUIT

Изобретение относится к области полупроводниковой микроэлектроники и может быть использовано при разработке и изготовлении фотоприемных устройств, выполненных в виде гибридных микросхем, состоящих из двух полупроводниковых кристаллов с различными коэффициентами термического расширения (КТР), соединенных между собой множеством микроконтактов, для увеличения числа термоциклов «охлаждение-нагревание», которые микросхема выдерживает без разрушения микроконтактов.
Известны гибридные полупроводниковые микросхемы, предназначенные для регистрации фотосигнала с индиевыми микроконтактами, описанные в работе: J. Jiang, S. Tsao, Т. O'Sullivan, М. Razeghi, G.J. Brown, Fabrication of indium bumps for hybrid infrared focal plane array applications, Infrared Physics & Technology 45 (2004) 143-151.
6
-6
-6
-1
В таких гибридных микросхемах фотоприемный кристалл обычно выполняется из одного материала, например GaAs, а кристаллом, на котором выполняется считывающая микросхема, является кремний. Отдельные части фоточувствительных элементов, в количестве до 10, сформированные на этих кристаллах, соединяются между собой индиевыми контактными элементами (indium bumps) с применением метода «перевернутого кристалла» (flip-chip bonding method). Применение разных материалов в таких гибридных микросхемах связано с тем, что разные части полупроводниковой гибридной микросхемы предназначены для выполнения различных функций и поэтому требуют использования полупроводниковых материалов с различными электрофизическими свойствами. Например, матричные фотоприемные устройства, предназначенные для регистрации инфракрасного излучения (ИК), могут изготавливаться на кристаллах GaAs с тонким слоем HgCdTe, имеющим чувствительность к ИК-излучению, и кремниевого кристалла, на котором выполнена интегральная микросхема предварительной обработки фотосигнала. При этом материалы GaAs и Si имеют различные разные коэффициенты термического расширения, равные, соответственно 4,5 10 и 2,5 10 (град).
f
f
R
R
Такие индиевые контактные элементы имеют следующий существенный недостаток. Поскольку такая гибридная микросхема работает при температуре жидкого азота (77К), а в нерабочем состоянии находится при комнатной температуре (≈300К), то она подвергается, в процессе эксплуатации, многократным термоциклам «охлаждение-нагревание». В течение каждого такого цикла в гибридной микросхеме вследствие разности КТР кристаллов, при охлаждении, возникают значительные термомеханические напряжения, обусловленные разностью КТР кристаллов. В результате чего после некоторого числа термоциклов N происходит разрушение микроконтактов (особенно в периферийной области гибридной микросхемы), соединяющих отдельные ячейки фотоприемного кристалла GaAs с соответствующими ячейками кремниевой микросхемы. В результате гибридная микросхема выходит из строя. Показано, что при одном и том же поперечном размере электрически-проводящего контактного элемента количество допустимых термоциклов пропорционально квадрату его высоты. При произвольном размере электрически-проводящего контактного элемента величина N соответствующим образом будет зависеть от так называемого "aspect ratio" микроконтакта (далее A) - отношения высоты микроконтакта к размеру его основания (например, к диаметру, в случае круглого поперечного сечения). Для индиевых микроконтактов значение A обычно близко к 1.
6
Другим недостатком рассмотренных индиевых микроконтактов является то, что с увеличением формата фотоприемного устройства, например при количестве фоточувствительных элементов до 10, становится технологически невозможным получить микроконтакты с величиной аспектного отношения, большего 1, так как для таких гибридных фотоприемных микросхем с увеличением количества фоточувствительных элементов одновременно требуется и уменьшение их размеров, например до величины менее 10 мкм. При таких размерах изготовление индиевых микроконтактов с хорошей воспроизводимостью и надежностью, с применением обычных методов фотолитографии, практически невозможно.
Кроме того, существующая технология значительно затрудняет и сам процесс гибридизации - соединения методом «перевернутого кристалла» двух кристаллов, поскольку существующие сборочные машины, например FC-6, FC-150, обеспечивают точность совмещения контактных элементов при сборке только в несколько микрон.
R
Известны индиевые микроконтакты для фотоприемных гибридных микросхем с величиной аспектного отношения A, большего 1 (patent US 8456004 В2, Template wafer and process for small pitch flip-chip interconnect hybridization). Конструкция таких индиевых микроконтактов является наиболее близкой к заявляемой и взята за прототип.
R
R
В указанной работе на кремниевом микрокристалле на местах расположения элементов, считывающих фотосигнал, формируются никелевые площадки, а на соответствующих местах фотоприемного кристалла - алюминиевые площадки. Далее на никелевых площадках формируются индиевые электрически-проводящие контактные элементы (indium bumps) методом электролитического осаждения. В указанной работе возможно получение относительно высоких микроконтактов высотой около 8 мкм, при расстоянии между фоточувствительными элементами около 10 мкм и поперечном размере индиевых микроконтактов до 3 мкм, то есть при аспектном отношении (aspect ratio), равном 8:3≈3. При формировании контактных элементов методом «холодной сварки» (путем сдавливания методом перевернутого кристалла - Flip-Chip, двух встречных индиевых микроконтактов с аспектным отношением A~1 или придавливанием одного индиевого микроконтакта к встречной металлической площадке) материал контактного элемента - индий находится в области пластической деформации, когда значение давления (Р) составляет величину порядка значения модуля Юнга (Е) материала: Р~Е. Например эффективное значение давления «холодной сварки» индиевых микроконтактов с размерами около 15 мкм и A~1 составляет величину 15-30 МПа. При таких давлениях деформация (уменьшение высоты микроконтактов) составляет около 30%.
R
Эти микроконтакты имеют существенные недостатки. Несмотря на то, что указанное значение A, в принципе, позволяет несколько увеличить число термоциклов, которые способна выдержать фотоприемная гибридная микросхема, однако полученное аспектное отношение теряет свою эффективность при увеличении формата фотоприемной матрицы, так как при этом одновременно увеличивается ее размер, что приводит к увеличению термомеханических напряжений при ее охлаждении и, как следствие, к уменьшению количества допустимых термоциклов.
Кроме того, нерешенной остается проблема качественного осуществления процесса гибридизации методом «перевернутого кристалла», поскольку при этом методе для соединения фотоприемного и кремниевого кристаллов требуется сдавливание индиевых элементов определенным давлением, что приводит к последующему уменьшению конечной высоты индиевых контактных элементов, то есть теряется полученный выигрыш в аспектном отношении.
2
4
Техническим результатом изобретения является повышение стойкости контактных элементов к термоциклированиям за счет того, что составляющие их части выполнены в виде множества тонких электрически-проводящих соединений, присоединенных на торцах к двум металлическим контактным площадкам, и имеют сверхвысокое значение аспектного отношения (~10-10).
0
0
1
0
4
3
4
Технический результат достигается тем, что в микроконтакте для фотоприемной гибридной микросхемы, включающем в себя две металлические контактные площадки, между которыми расположен контактный элемент с заданной площадью S поперечного сечения, причем металлические контактные площадки выполнены на первом и втором полупроводниковых кристаллах с различными коэффициентами термического расширения, а контактный элемент выполнен из множества тонких электрически-проводящих соединений, присоединенных на торцах к двум металлическим контактным площадкам, причем общая площадь поперечного сечения всего множества тонких электрически-проводящих соединений, образующих контактный элемент, также составляет величину S, но при этом площадь S поперечного сечения каждого тонкого электрически-проводящего соединения не менее чем в 10 раз меньше общей площади S поперечного сечения всего множества тонких электрически-проводящих соединений, образующих контактный элемент, а аспектное отношение одного тонкого электрически-проводящего соединения составляет величину от 10 до 10.
В микроконтакте контактный элемент, состоящий из множества тонких электрически-проводящих соединений, выполнен из углеродных нанотрубок.
В микроконтакте контактный элемент, состоящий из множества тонких электрически-проводящих соединений, выполнен из углеродных нанотрубок, имеющих извилистую форму.
В микроконтакте металлические контактные площадки выполнены однослойными, двухслойными или трехслойными, общей толщиной от 10 до 500 нм.
Сущность изобретения поясняется нижеследующим описанием и приведенными фигурами.
0
R
R
На фиг. 1 показан микроконтакт для фотоприемной гибридной микросхемы в исходном состоянии и в результате деформации при приложении сдавливающего усилия F. Причем на фиг. 1а приведен микроконтакт с исходным индиевым контактным элементом и тот же микроконтакт после деформации индиевого контактного элемента, с поперечным сечением S и аспектным отношением A=2, а на фиг. 1б показан микроконтакт с исходным контактным элементом, выполненным из тонких электрически-проводящих соединений со сверхвысоким аспектным отношением (A »1) и результат его деформации после приложения сдавливающего усилия F, где
1 - первый полупроводниковый кристалл,
2 - второй полупроводниковый кристалл,
3 - металлическая контактная площадка,
4 - исходный индиевый контактный элемент,
5 - результат деформации индиевого контактного элемента после приложения сдвигающего усилия F,
6 - исходный контактный элемент, состоящий из тонких электрически-проводящих соединений,
7 - результат деформации контактного элемента, состоящего из тонких электрически-проводящих соединений после приложения к нему сдавливающего усилия F.
Микроконтакт для фотоприемной гибридной микросхемы включает в себя две металлические контактные площадки 3, между которыми расположен контактный элемент 4. Металлические контактные площадки 3 изготовлены на первом 1 и втором 2 полупроводниковых кристаллах с различными коэффициентами термического расширения, причем первый полупроводниковый кристалл 1 служит для считывания информации, а второй полупроводниковый кристалл 2 содержит фоточувствительные элементы (фиг. 1а).
0
После приложения сдавливающего усилия F исходный контактный элемент 4 деформируется в контактный элемент 5 с заданной площадью S в поперечном сечении (фиг. 1а).
0
Исходный контактный элемент выполнен из множества тонких электрически-проводящих соединений 6, присоединенных на торцах к двум металлическим контактным площадкам 3, причем общая площадь поперечного сечения всего множества тонких электрически-проводящих соединений 6, образующих контактный элемент, составляет величину S (фиг. 1б).
0
После приложения сдавливающего усилия F исходный контактный элемент, состоящий из множества тонких с заданной площадью S, уменьшается по высоте за счет деформации всех тонких электрически-проводящих соединений 6 (фиг. 1б).
На фиг. 2 показан электрически-проводящий массив («лес»), выполненный из множества тонких углеродных нанотрубок, получаемых по различным технологиям, где
на фиг. 2а показан массив вертикально-выращенных нанотрубок («лес») на металлической трехслойной площадке Fe/Al/Cr, с толщинами металлических слоев соответственно 2/10/500 нм;
на фиг. 2б показан массив вертикально выращенных нанотрубок на однослойной металлической площадке с толщиной каталитического слоя железа около 2 ;
на фиг. 2в показано волнообразное сжатие массива углеродных нанотрубок, с исходным диаметром около 50 мкм.
Для выполнения контактного элемента, состоящего из тонких электрически-проводящих соединений со сверхвысоким значением аспектного отношения, необходимо перейти в принципиально отличную область физической деформации твердых тел.
R
Известно, что при сжатии усилием F в продольном направлении тонких стержней  (физическим критерием «тонкого стержня» является величина аспектного отношения A»1), происходит их спонтанная деформация в соответствие с явлением упругой неустойчивости, впервые обнаруженным Эйлером.
Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц. Теория упругости, изд. «Наука», Москва, 1965 г. При этом критическое усилие, при котором происходит такая деформация, равно:
кр
R
2
F≈E/(A)
0
0
R
R
Таким образом, при выполнении контактного элемента с поперечным сечением S, выполненного из тонких электрически-проводящих соединений со сверхвысоким значением аспектного отношения, еще до наступления процесса упругой или пластической деформации, при давлениях, много меньших величины F/ES, возникает их спонтанный изгиб, как схематически (показано только 4 тонких электрически-проводящих соединения) иллюстрируется на фиг. 1б. Важно отметить, что величина критическое давления обратно пропорциональна квадрату аспектного отношения, то есть резко уменьшается при значительном увеличении величины A. Это дает возможность использовать для выполнения контактного элемента из тонких электрически-проводящих соединений материал с повышенной прочностью. Например, даже если модуль Юнга материала будет в 100 раз превышать модуль Юнга индия, но A тонких электрически-проводящих соединений будет также равно 100, все равно критическое давление деформации контактного элемента резко уменьшится, в данном случае в 100 раз. Это позволяет одновременно повысить стойкость контактных элементов к термоциклированиям, при одновременном снижении давления, требуемого для осуществления процесса гибридизации фотоприемной микросхемы.
R
2
3
2
3
Для реализации предложенного технического решения в микроконтакте для фотоприемной гибридной микросхемы, контактный элемент выполнен из множества тонких электрически-проводящих соединений со сверхвысоким аспектным отношением A~10-10. Для этой цели подходит так называемый «лес» из углеродных нанотрубок (УНТ). В настоящее время разработана технология получения электрически-проводящих УНТ с диаметром от 1 до 10 мкм и длиной ~1 мкм и более, то есть аспектное отношение для таких трубок составляет более 10-10. Величина диаметра получаемых нанотрубок определяется пока мало изученными физико-химическими процессами, зависящими от всех технологических параметров процесса роста и в настоящее время, реально, определяется постфактум. На фиг. 2 приведены примеры локальных, состоящих из множества тонких электрически-проводящих углеродных нанотрубок, «столбиков», которые могут служить контактными элементами для фотоприемных гибридных микросхем.
3
3
Для выращивания «леса» УНТ, подобного приведенному на фиг. 2а, необходимо выполнить в кремниевом кристалле на местах расположения элементов считывания фотоприемного сигнала многослойные площадки из слоя хрома толщиной 2 нм, слоя алюминия толщиной 10 нм и слоя железа толщиной 500 нм. Площадки можно выполнить методами обычной фотолитографии. Слой хрома обеспечивает лучшую адгезию металла с полупроводниковым кристаллом, поэтому его толщина непринципиальна и выбрана минимальной. Комбинация слоев алюминия и железа является каталитическим элементом, обеспечивающим рост углеродных нанотрубок, но точный выбор толщин этих слоев нельзя рассчитывать, поскольку сам механизм роста углеродных нанотрубок еще мало изучен. Толщины 10 нм для алюминия и 500 нм для железа известны из опубликованных экспериментов, подобраны опытным путем, и именно такая их комбинация обеспечивает рост достаточно плотного и достаточно высокого, в несколько микрон, «леса» углеродных нанотрубок, как показано на фиг. 2а, При этом выращивание «леса» УНТ на этих площадках осуществляется в газовой смеси ацетилена и водорода при величине газового потока около 300 см/мин (5 см/с) при давлении 100 Торр. Время роста контактных элементов высотой около 3 мкм составит при этом около 50 с. Диаметр получаемых таким методом УНТ составляет порядка 2-10 нм, то есть их аспектное отношение составит порядки 1000. На втором полупроводниковом кристалле на местах фотоприемных элементов методом напыления и фотолитографии предлагается формировать металлические площадки из индия толщиной 1 мкм, с напыленным на него слоем золота толщиной около 1 нм. Золото служит только как препятствие против окисления индия, резко ухудшающего его электрическую проводимость, поэтому его толщина выбрана минимальной из соображений экономии. Слой индия должен иметь большую толщину, чтобы обеспечить вдавливание в него углеродных нанотрубок при формировании способом «холодной сварки» контактного элемента. Процесс формирования контактного элемента осуществляется на установке FC-150, позволяющей производить гибридизацию двух кристаллов методом «перевернутого кристалла». В процессе гибридизации контактные элементы УНТ присоединяются к соответствующим металлическим площадкам на фотоприемном кристалле GaAs.
Другим возможным способом выполнения контактных элементов может быть выполнение в кремниевом кристалле на местах расположения элементов считывания фотоприемного сигнала металлических площадок, состоящих из слоя железа, близкого по толщине к монослою. Слой железа наносится с помощью распыления электронным пучком. После нанесения слоя железа производится его отжиг в кислороде при температуре 550°C в течение 10 минут. Затем производится нагрев в водороде до температуры роста УНТ 720°C. Эта операция позволяет получить нанокластеры железа диаметром около 1,3 нм, размер которых и определяет последующий каталитический рост углеродных нанотрубок соответствующего диаметра, показанных на фиг. 2б. Полученные углеродные нанотрубки, образующие контактный элемент, при высоте около 6 мкм будут иметь аспектное отношение, превышающее 1000. Дальнейшая гибридизация кремниевого кристалла и кристалла GaAs также производится методом «перевернутого кристалла» (Flip-Chip).
кр
R
2
При известной величине модуля Юнга углеродных нанотрубок и модуля Юнга индия на основании приведенной выше зависимости величины усилия от аспектного отношения F≈E/(A) можно с уверенностью говорить о том, что это усилие будет на порядки меньше, чем усилие деформации индиевых контактных элементов с аспектным отношением порядка 1-3. Примером может служить сдавливание проводящего массива («леса»), выполненного из множества тонких углеродных нанотрубок, диаметром около 10 мкм, показанное на фиг. 2в. Измеренное давление деформации для показанного массива составило около 0,15 МПа, что больше чем на порядок меньше эффективного давления сдавливания индиевых микроконтактов около 30 МПа. Важно также то, что поскольку углеродные нанотрубки никогда не являются прямыми, а имеют волнистую форму, то сдвиг края одного кристалла относительно края второго кристалла на величину порядка 2-4 мкм может осуществляться без искажения плоскостности кристаллов, просто за счет распрямления нанотрубок, приобретающих после процесса гибридизации волнистую форму, как показано на фиг. 2в, что также обеспечит сохранность микроконтактов в процессе многократных термоциклирований, без их разрушения.