RU2411610C1

RU2411610C1 - Indium microcontacts for hybrid microcircuit

Info

Publication number: RU2411610C1
Application number: RU2009147876/28A
Authority: RU
Inventors: Валерий Михайлович Ефимов (RU); Валерий Михайлович Ефимов
Priority date: 2009-12-22
Filing date: 2009-12-22
Publication date: 2011-02-10

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: indium microcontacts for a hybrid microcircuit connect two parts of a hybrid microcircuit which consists of a first and a second part. There are metallic layers sandwiching an indium layer on the inner surfaces of the first and second parts of the hybrid microcircuits. A tin layer is made inside the indium layer such that, there is no indium oxide film on the intermetallic indium-tin boundaries.

EFFECT: high strength of indium microcontacts owing to exclusion of an indium oxide film in the intermetallic connection of microcontacts, simple and cheap manufacturing of the microcontacts due to avoiding use of a gold layer when making the contacts.

2 dwg

Description

Изобретение относится к области полупроводниковой микроэлектроники и может быть использовано при разработке и изготовлении гибридных микросхем, состоящих из двух полупроводниковых компонент, соединенных между собой множеством микроконтактов, для увеличения механической прочности микроконтактов, а также для упрощения технологии изготовления.The invention relates to the field of semiconductor microelectronics and can be used in the development and manufacture of hybrid microcircuits consisting of two semiconductor components interconnected by a variety of microcontacts, to increase the mechanical strength of microcontacts, as well as to simplify the manufacturing technology.

Известны гибридные полупроводниковые микросхемы, изготовленные из двух разных материалов, соединенные между собой множеством индиевых микроконтактов (US Patent 5308980, May, 03, 1994). Необходимость применения разных материалов в таких микросхемах связана с тем, что разные полупроводниковые компоненты гибридных микросхем выполняют различные функции и поэтому требуют использования различных электрофизических свойств. При этом, различные полупроводниковые компоненты гибридных микросхем, как правило, имеют и разные термомеханические характеристики, в частности разные коэффициенты термического расширения (КТР). Индиевые микроконтакты в таких микросхемах на первоначальной стадии изготовления частично формируются на обеих полупроводниковых компонентах гибридной микросхемы, а затем соединяются в целостные микроконтакты методом «перевернутого кристалла» (flip-chip).Known hybrid semiconductor microcircuits made of two different materials, interconnected by a variety of indium microcontacts (US Patent 5308980, May, 03, 1994). The need to use different materials in such microcircuits is due to the fact that different semiconductor components of hybrid microcircuits perform different functions and therefore require the use of different electrophysical properties. Moreover, different semiconductor components of hybrid microcircuits, as a rule, have different thermomechanical characteristics, in particular, different coefficients of thermal expansion (CTE). The indium microcontacts in such microcircuits at the initial stage of manufacture are partially formed on both semiconductor components of the hybrid microcircuit, and then they are connected into integral microcontacts using the flip-chip method.

Недостатком гибридных микросхем, состоящих из двух различных полупроводниковых компонент, изготовленных из материалов, имеющих различные КТР, является то, что индиевые микроконтакты, частично сформированные на обеих полупроводниковых компонентах гибридных микросхем на первоначальной стадии изготовления, вследствие очень высокой окисляемости индия всегда покрыты окисной пленкой. Вследствие этого при их последующем соединении для формирования целостных микроконтактов, например сдавливанием встречных индиевых микроконтактов, не происходит образования единого прочного индиевого соединения, а формируется индиевое соединение, состоящее из двух слоев индия, между которыми остаются фрагменты индиевой окисной пленки, значительно уменьшающей механическую прочность индиевого микроконтакта В процессе эксплуатации таких гибридных микросхем, когда они подвергаются многократному воздействию различных температур, в них возникают циклические термомеханические напряжения вследствие различного по величине расширения (при нагревании) или сжатия (при охлаждении) разных материалов полупроводниковых компонент гибридной микросхемы. При этом индиевые соединения микроконтактов постепенно разрушаются по границе соединения индий - индий, поскольку между двумя слоями индия присутствует индиевая окисная пленка, которая значительно ослабляет прочность соединения. По этой границе происходит постепенное разрушение микроконтактов.A disadvantage of hybrid microcircuits, consisting of two different semiconductor components made of materials having different KTPs, is that indium microcontacts, partially formed on both semiconductor components of hybrid microcircuits at the initial stage of manufacture, are always coated with an oxide film due to the very high oxidizability of indium. As a result of this, upon their subsequent joining to form integral microcontacts, for example, squeezing oncoming indium microcontacts, a single strong indium compound does not form, but an indium compound is formed, which consists of two layers of indium, between which fragments of an indium oxide film remain, which significantly reduces the mechanical strength of the indium microcontact In the process of operating such hybrid microcircuits, when they are subjected to repeated exposure to various temperatures, in they arise cyclic thermomechanical stresses due to different expansion (when heating) or compression (when cooling) different materials of the semiconductor components of the hybrid microcircuit. In this case, indium microcontact compounds are gradually destroyed along the interface of the indium - indium compound, since an indium oxide film is present between the two indium layers, which significantly weakens the strength of the compound. Along this boundary, the gradual destruction of microcontacts occurs.

Известны индиевые микроконтакты для гибридной микросхемы (alloy bonded indium bumps), соединяющие две части гибридной микросхемы, состоящие из первой и второй частей гибридной микросхемы, а каждый индиевый микроконтакт содержит металлические слои, нанесенные на внутренних поверхностях первой и второй частей гибридной микросхемы и индиевый слой (US Patent 4930001, Aug. 1986). До соединения двух частей гибридной микросхемы на одной из них выполняют индиевые микроконтакты поверх металлического слоя, а на второй части гибридной микросхемы выполняют металлические подкладки, обычно состоящие из трех металлических слоев: золота, выполненного поверх слоя никеля, выполненного поверх слоя титана. Индиевые микроконтакты могут быть подвергнуты травлению в соляной кислоте низкой концентрации (обычно 1%) для того, чтобы убрать с поверхности индия окисную пленку. При соединении двух частей гибридной микросхемы индиевые микроконтакты сжимаются между соответствующими металлическими подкладками и выдерживаются в этом состоянии в течение определенного времени при определенной температуре до образования прочного интерметаллического соединения индий - золото.Known indium microcontacts for a hybrid microcircuit (alloy bonded indium bumps) connecting two parts of a hybrid microcircuit consisting of the first and second parts of a hybrid microcircuit, and each indium microcontact contains metal layers deposited on the inner surfaces of the first and second parts of the hybrid microcircuit and an indium layer ( US Patent 4930001, Aug. 1986). Prior to joining two parts of the hybrid microcircuit, indium microcontacts are made on top of the metal layer on one of them, and metal linings, usually consisting of three metal layers: gold, made on top of the nickel layer made on top of the titanium layer, are made on the second part of the hybrid microcircuit. Indium microcontacts can be etched in low concentration hydrochloric acid (usually 1%) in order to remove the oxide film from the surface of indium. When two parts of the hybrid microcircuit are connected, indium microcontacts are compressed between the corresponding metal linings and held in this state for a certain time at a certain temperature until a strong indium-gold intermetallic compound is formed.

Конструкция таких индиевых микроконтактов является наиболее близкой заявляемой и взята за прототип.The design of such indium microcontacts is the closest claimed and taken as a prototype.

Данное техническое решение имеет тот недостаток, что первоначально прочное соединение индий - золото постепенно деградирует вследствие изменения структуры интерметаллического соединения со временем или в процессе многократных изменений температуры. При этом образуется вторичный интерметаллический слой, значительно менее прочный, чем первоначальный. Кроме того, известно, что обработка индия в соляной кислоте лишь частично убирает окисную пленку с его поверхности. Ее присутствие на интерметаллической границе значительно ослабляет прочность индиевых микроконтактов. Наконец еще одним недостатком данного технического решения является то, что для формирования индиевых микроконтактов необходимо применять сложный и дорогостоящий технологический процесс нанесения слоя золота.This technical solution has the disadvantage that the initially strong indium-gold compound gradually degrades due to a change in the structure of the intermetallic compound over time or in the process of multiple changes in temperature. In this case, a secondary intermetallic layer is formed, much less durable than the initial one. In addition, it is known that the treatment of indium in hydrochloric acid only partially removes the oxide film from its surface. Its presence at the intermetallic boundary significantly weakens the strength of indium microcontacts. Finally, another drawback of this technical solution is that for the formation of indium microcontacts it is necessary to apply a complex and expensive technological process of applying a layer of gold.

Техническим результатом изобретения является повышение прочности индиевых микроконтактов за счет исключения индиевой окисной пленки в интерметаллическом соединении микроконтактов, а также упрощение и удешевление технологии изготовления индиевых микроконтактов за счет исключения использования слоя золота при их формировании.The technical result of the invention is to increase the strength of indium microcontacts by eliminating the indium oxide film in the intermetallic connection of microcontacts, as well as simplifying and cheapening the manufacturing technology of indium microcontacts by eliminating the use of a gold layer during their formation.

Технический результат достигается тем, что в индиевых микроконтактах для гибридной микросхемы, соединяющих две части гибридной микросхемы, состоящие из первой и второй частей гибридной микросхемы, а каждый индиевый микроконтакт содержит металлические слои, выполненные на внутренних поверхностях первой и второй частей гибридной микросхемы, и индиевый слой, внутри слоя индия выполнен слой олова, так что на интерметаллических границах индий - олово отсутствует индиевая окисная пленка.The technical result is achieved by the fact that in the indium microcontacts for the hybrid microcircuit connecting the two parts of the hybrid microcircuit, consisting of the first and second parts of the hybrid microcircuit, and each indium microcontact contains metal layers made on the inner surfaces of the first and second parts of the hybrid microcircuit, and the indium layer , a tin layer is made inside the indium layer, so that there is no indium oxide film at the indium-tin intermetallic boundaries.

Для реализации данного технического решения предлагается заменить в индиевых микроконтактах для гибридных микросхем интерметаллическую границу индий - золото, интерметаллической границей индий - олово. Интерметаллическая граница индий - золото, как следует из описания прототипа, может быть сформирована только в два этапа, причем между этими этапами индиевый микроконтакт неизбежно находится некоторое время на воздухе, что всегда приводит к быстрому (в течение нескольких десятков секунд) окислению поверхности индия, поскольку индий имеет очень низкий потенциал ионизации, равный 5,8 эВ. Потенциал ионизации олова гораздо выше - 7,3 эВ, и, кроме того, напыление слоя олова на слой индия легко осуществить в вакууме, в одном технологическом процессе с напылением индия, что исключает образование индиевой окисной пленки на интерметаллической границе индий - олово. Напыленный, таким образом, слой олова можно выполнить включенным внутри целостного слоя индия методом «холодной сварки» - сжатием двух встречных микроконтактов, с использованием общеизвестного Flip-Chip процесса.To implement this technical solution, it is proposed to replace the indium microcontacts for hybrid microcircuits with the intermetallic interface indium - gold, the intermetallic border indium - tin. The indium-gold intermetallic boundary, as follows from the description of the prototype, can be formed in only two stages, and between these stages the indium microcontact inevitably stays in the air for some time, which always leads to the rapid (within several tens of seconds) oxidation of the indium surface, since indium has a very low ionization potential of 5.8 eV. The tin ionization potential is much higher - 7.3 eV, and, in addition, the tin layer is sputtered onto the indium layer in vacuum, in the same process as the sputtering of indium, which eliminates the formation of an indium oxide film at the indium-tin intermetallic interface. Thus, the tin layer sprayed can be performed by the “cold welding” method incorporated inside the integral indium layer — by compressing two oncoming microcontacts using the well-known Flip-Chip process.

На фиг.1 показан одиночный индиевый микроконтакт для гибридной микросхемы в поперечном разрезе, соединяющий две части гибридной микросхемы:Figure 1 shows a single indium microcontact for a hybrid microcircuit in cross section connecting two parts of a hybrid microcircuit:

1 - первая часть гибридной микросхемы,1 - the first part of the hybrid microcircuit,

2 - вторая часть гибридной микросхемы,2 - the second part of the hybrid microcircuit,

3 - металлические слои,3 - metal layers,

4 - слой индия,4 - layer of indium,

5 - слой олова,5 - tin layer,

6 - интерметаллические границы индий - олово.6 - intermetallic borders indium - tin.

На фиг.2 показано измерение механической прочности первых и вторых тестовых образцов приложением сдвигового усилия F, где:Figure 2 shows the measurement of the mechanical strength of the first and second test samples by application of shear force F, where:

7 - упорная часть держателя тестового образца,7 - thrust part of the holder of the test sample,

8 - прижимная часть держателя тестового образца,8 - clamping part of the test sample holder,

9 - тестовый образец,9 - test sample,

10 - основание держателя тестового образца.10 - the base of the holder of the test sample.

Первая и вторая часть гибридной микросхемы 1 и 2 соединены между собой индиевыми микроконтактами. Каждый индиевый микроконтакт содержит металлические слои 3, выполненные на внутренних поверхностях первой и второй частей гибридной микросхемы 1 и 2, на которых выполнен слой индия 4. Внутри слоя индия 4 выполнен слой олова 5 таким образом, что на интерметаллических границах индий - олово 6 отсутствует индиевая окисная пленка.The first and second part of the hybrid microcircuit 1 and 2 are interconnected by indium microcontacts. Each indium microcontact contains metal layers 3 made on the inner surfaces of the first and second parts of the hybrid microcircuit 1 and 2, on which an indium 4 layer is made. Inside the indium 4 layer, a tin 5 layer is made so that there is no indium layer on the indium-tin 6 intermetallic boundaries oxide film.

Заявляемые индиевые микроконтакты для гибридной микросхемы применялись для изготовления тестовых образцов для гибридной микросхемы, которые испытывались на прочность индиевых соединений методом сдвига. В качестве подложек для изготовления первой и второй частей микросхемы 1 и 2 использовались полированные кремниевые пластины толщиной 450 мкм, на которые наносился слой хрома 3 толщиной 0,1 мкм. Далее на слой хрома наносился, напылением в вакууме, слой индия 4 толщиной 6 мкм и поверх него в едином процессе наносился слой олова 5 толщиной 0,2 мкм. Поскольку операция напыления слоя олова осуществлялась непосредственно после напыления слоя индия 4 (без контактирования с воздухом), то тем самым обеспечивалось отсутствие на интерметаллической границе индий - олово 6 индиевой окисной пленки.The inventive indium microcontacts for the hybrid microcircuit were used to make test samples for the hybrid microcircuit, which were tested for the strength of the indium compounds by shear. As substrates for the manufacture of the first and second parts of microcircuit 1 and 2, polished silicon wafers with a thickness of 450 μm were used, on which a layer of chromium 3 with a thickness of 0.1 μm was applied. Next, a layer of indium 4 6 μm thick was deposited on the chromium layer, by vacuum deposition, and a layer of tin 5 0.2 μm thick was applied over it in a single process. Since the operation of deposition of the tin layer was carried out immediately after the deposition of the indium 4 layer (without contacting with air), this ensured the absence of an indium oxide film on the indium - tin 6 intermetallic interface.

Методом фотолитографии на двойном слое индий - олово выполнялся квадратный массив микроконтактов 130×130 элементов. Диаметр микроконтактов составлял 22 мкм. Стандартной операцией скрайбирования, алмазным диском, кремниевая пластина разрезалась на чипы размером 10×10 мм, так что массивы микроконтактов располагались по центру чипов. Половина полученных чипов использовалась в качестве первой части гибридной микросхемы, а вторая половина в качестве второй части гибридной микросхемы.A square array of microcontacts of 130 × 130 elements was performed by photolithography on a double indium-tin layer. The diameter of the microcontacts was 22 μm. By a standard scribing operation, a diamond disk, a silicon wafer was cut into 10 × 10 mm chips, so that the microcontact arrays were located in the center of the chips. Half of the resulting chips were used as the first part of the hybrid microcircuit, and the second half as the second part of the hybrid microcircuit.

На установке FC-6, фирмы Karl-Suss, методом перевернутого кристалла (Flip-Chip) производилось сжатие массива индиевых микроконтактов первой части гибридной микросхемы с соответствующим массивом индиевых микроконтактов второй части гибридной микросхемы. Сжатие первой и второй частей гибридной микросхемы осуществлялось при давлении 180 Н в течение 10 секунд. При таком давлении начинается пластическое течение индия, но не наблюдается пластического течения олова (что качественно объясняется величиной такого параметра, как твердость материала: твердость по Брюнелю индия составляет около 9 МПа, а твердость олова около 60 МПа). Таким образом, при таком давлении индий за счет пластического течения обволакивает слой олова и мы получаем индиевые микроконтакты, подобные показанным на Фиг.1. В этом случае средняя часть полученных микроконтактов не содержит индиевой окисной пленки на интерметаллических границах индий - олово и прочно соединяется слоем олова, по прочности большим прочности индия, что обеспечивает повышенную стойкость к механическим напряжениям. Остальная же часть объема индия имеет повышенную пластичность, которая, как известно, сохраняется даже при температуре жидкого азота, что обеспечивает компенсацию механических напряжений за счет пластической деформации.At the FC-6 facility, Karl-Suss, the flip-chip method used to compress the indium microcontact array of the first part of the hybrid microcircuit with the corresponding indium microcontact array of the second part of the hybrid microcircuit. Compression of the first and second parts of the hybrid microcircuit was carried out at a pressure of 180 N for 10 seconds. At this pressure, the plastic flow of indium begins, but the plastic flow of tin is not observed (which is qualitatively explained by the value of such a parameter as the hardness of the material: the Brunel hardness of indium is about 9 MPa, and the tin hardness is about 60 MPa). Thus, at this pressure, indium, due to plastic flow, envelops the tin layer and we obtain indium microcontacts, similar to those shown in Fig. 1. In this case, the middle part of the obtained microcontacts does not contain an indium oxide film at the indium-tin intermetallic boundaries and is firmly joined by a tin layer, which is stronger in strength than indium, which provides increased resistance to mechanical stresses. The rest of the volume of indium has increased ductility, which, as you know, is maintained even at the temperature of liquid nitrogen, which provides compensation for mechanical stresses due to plastic deformation.

Для сравнения с тестовыми образцами гибридной микросхемы изготавливались вторые (сравнительные) тестовые образцы для гибридной микросхемы, когда сжимались чипы с массивом индиевых контактов, в которых слой индия не покрывался слоем олова и которые некоторое время выдерживались на воздухе, что приводило к тому, что поверхность индия покрывалась слоем окисла индия. В результате после сжатия двух чипов, имитирующих первую и вторую часть гибридной микросхемы, индиевые микроконтакты содержали индиевую окисную пленку в средней части микроконтактов.For comparison with the test samples of the hybrid microcircuit, the second (comparative) test samples were made for the hybrid microcircuit, when the chips were compressed with an array of indium contacts, in which the indium layer was not covered by a tin layer and which was kept in the air for some time, which led to the surface of indium covered with a layer of indium oxide. As a result, after the compression of two chips simulating the first and second parts of the hybrid microcircuit, the indium microcontacts contained an indium oxide film in the middle part of the microcontacts.

Первые и вторые тестовые образцы для дополнительного упрочнения микроконтактов подвергались прогреву при температуре ниже температуры плавления индия.The first and second test samples for additional hardening of the microcontacts were heated at a temperature below the melting point of indium.

Далее, с помощью специального приспособления, схематично показанного на Фиг.2, производились измерения механической прочности соединения первых и вторых тестовых образцов приложением сдвигового усилия F, показанного стрелкой. Специальное приспособление состоит из упорной части держателя тестового образца 7 и прижимной части держателя тестового образца 8, которые размещены на основании держателя тестового образца 10. Измерения механической прочности соединения осуществляется следующим образом. Сначала тестовый образец 9 помещается на упорную часть 7 держателя тестового образца, как показано на Фиг.2, так что первая часть тестового образца снизу опирается на упорную часть держателя тестового образца. При этом вторая часть тестового образца может быть сдвинута вниз приложением сдвигового усилия F к ее торцу. Затем к тестовому образцу сбоку подводится прижимная часть держателя тестового образца 8 любым общеизвестным способом, например с помощью какого-либо регулировочного винта, который на фиг.2 не показан. При этом тестовый образец прижимается к упорной части держателя тестового образца небольшим усилием, так чтобы величина этого усилия была много меньше (например, в 10 раз), чем сдвиговое усилие F. Точное значение прижимного усилия не имеет большого значения, так как основная функция прижимной части держателя тестового образца - это только удержание тестового образца в вертикальном положении в процессе приложения сдвигового усилия. После фиксации вертикального положения тестового образца к торцу второй части тестового образца прикладывается сдвиговое усилие F, линейно увеличивающееся во времени. В нашем случае скорость нарастания сдвигового усилия составляла 1 Н/сек. В некоторый момент происходит срыв второй части тестового образца от первой части тестового образца. В этот момент величина сдвигового усилия фиксируется.Further, using a special device, schematically shown in Figure 2, measurements were made of the mechanical strength of the joints of the first and second test samples by applying shear force F, shown by an arrow. A special device consists of the thrust part of the holder of the test sample 7 and the clamping part of the holder of the test sample 8, which are placed on the base of the holder of the test sample 10. Measurement of the mechanical strength of the connection is as follows. First, the test sample 9 is placed on the abutment part 7 of the holder of the test sample, as shown in FIG. 2, so that the first part of the test sample from the bottom rests on the abutment part of the holder of the test sample. In this case, the second part of the test sample can be shifted downward by applying shear force F to its end face. Then, the clamping part of the holder of the test sample 8 is brought to the side of the test sample by any well-known method, for example, by means of some adjustment screw, which is not shown in FIG. 2. In this case, the test sample is pressed against the thrust part of the test sample holder with a small force, so that the magnitude of this force is much less (for example, 10 times) than the shear force F. The exact value of the pressing force is not of great importance, since the main function of the pressing part the holder of the test sample is only keeping the test sample upright during shear. After fixing the vertical position of the test sample, a shear force F linearly increasing in time is applied to the end of the second part of the test sample. In our case, the shear rate of increase was 1 N / s. At some point, the second part of the test sample breaks down from the first part of the test sample. At this moment, the amount of shear is fixed.

Проведенные измерения показали, что сдвигового усилие для первых тестовых образцов составило около 60 Н, в то время как для вторых тестовых образцов оно составило около 35 Н. Таким образом первые тестовые образцы для гибридной микросхемы, в которых индиевые микроконтакты для гибридной микросхемы, внутри слоя индия которых выполнен слой олова, а на интерметаллических границах индий-олово отсутствует индиевая окисная пленка, показали механическую прочность на сдвиг почти вдвое большую, чем механическая прочность сравнительных гибридных микросхем, в которых индиевые микроконтакты содержали индиевую окисную пленку в средней части микроконтактов. При этом для формирования микроконтактов в первых тестовые образцах применялся упрощенный технологический процесс, не требующий использования более сложного и дорогостоящего технологического процесса нанесения слоя золота.The measurements showed that the shear force for the first test samples was about 60 N, while for the second test samples it was about 35 N. Thus, the first test samples for the hybrid microcircuit, in which the indium microcontacts for the hybrid microcircuit are inside the indium layer of which a tin layer is made, and there is no indium oxide film at the indium-tin intermetallic boundaries, they showed a mechanical shear strength of almost twice that of the comparative hybrid mi circuits in which indium microcontacts contained an indium oxide film in the middle part of microcontacts. At the same time, for the formation of microcontacts in the first test samples, a simplified technological process was used, which does not require the use of a more complex and expensive technological process of applying a gold layer.

Claims

Indium microcontacts for a hybrid microcircuit connecting two parts of a hybrid microcircuit consisting of the first and second parts of a hybrid microcircuit, and each indium microcontact contains metal layers made on the inner surfaces of the first and second parts of the hybrid microcircuit, and an indium layer, characterized in that inside the layer indium tin layer is made, so that on the intermetallic indium-tin boundaries there is no indium oxide film.