第九章-布線及組裝

第九章布線組裝技術教師：潘國峰E-mail:pgf@河北工業(yè)大學微電子研究所

在集成電路制造過程中，不僅各個器件之間在電學上相互隔離，而且根據電路的要求，通過接觸孔和互連材料將各個器件連接起來，實現(xiàn)電路功能。微電子器件有源區(qū)形成后，各個有源區(qū)通過金屬薄膜線在芯片表面經適當?shù)倪B接來實現(xiàn)器件功能。這種通過對金屬薄膜的微細加工，實現(xiàn)各個相互隔離的器件間的連接工藝稱之為布線。經過布線,器件構成一個完整的電路,具有完整的功能。但器件還容易受外界環(huán)境的干擾和破環(huán),可靠性低，不能滿足實化的要求。必須通過適當?shù)慕M裝技術將器件保護起來。

組裝技術主要包括芯片輸入/輸出(I/O)端的引出和芯片的封裝。§9.1歐姆接觸

§9.2布線技術

§9.3鍵合技術

§9.4封裝技術

9.1歐姆接觸金屬與半導體接觸,在電學特性上既可形成整流特性,又可形成歐姆特性。對布線金屬層與半導體接觸的基本要求是形成歐姆接觸。

所謂歐姆接觸是指金屬與半導體間的電壓與電流的關系具有對稱和線性關系,且接觸電阻很小,不產生明顯的附加阻抗。歐姆接觸的特性可用單位電流密度所引起的電壓降,即比接觸電阻Rc來表征Rc的單位是Ω·cm2。對于硅砷化鎵等半導體材料，載流子平均自由程較大，可用熱電子發(fā)射理論來描述金屬－半導體接觸。在摻雜濃度低時，比接觸電阻可表示成：

A*理查遜常數(shù)，qUb接觸勢壘高度qUb<<kT時

低接觸勢壘高度可形成良好的歐姆接觸。在qUb>>kT的情況下，將形成肖特基接觸。在半導體摻雜濃度較高（大于或等于1019cm－3）的情況下，勢壘高度減小，勢壘寬度變窄，此時除熱載流子發(fā)射外，還有大量的載流子以隧道效應穿過勢壘。當隧道效應為主時，比接觸電阻為：εs是半導體界電常數(shù)；Ns是表面摻雜濃度；m*是荷電載流子的有效質量；h是普朗克常數(shù)。顯然，Ns≥1019cm－3時，Rc很小，可形成良好的歐姆接觸。不同的金屬與半導體接觸勢壘高度不同:形成金屬-半導體歐姆接觸的基本方法有三種:半導體高摻雜接觸；低勢壘高度接觸；高復合中心接觸。1.半導體高濃度摻雜歐姆接觸在N>1019/cm-3時，半導體表面勢壘寬度很小,載流子可以以隧道方式穿過勢壘，從而形成歐姆接觸。由于隧道穿通幾率與勢壘寬度密切相關,而勢壘寬度又取決于半導體表面層的摻雜濃度,因此,該方式的接觸電阻是隨摻雜濃度的變化而變化的,在器件制造中常采用此方法。形成歐姆接觸的基本方法2.低勢壘高度歐姆接觸當金屬功函數(shù)大于p型硅或小于n型硅的功函數(shù)時,金屬-半導體接觸可形成理想的歐姆接觸。但是,由于金屬－半導體界面的表面態(tài)的影響,會在半導體表面產生感應空間電荷層，形成勢壘接觸。因此,在導體表面摻雜濃度低的情況下,很難形成理想的歐姆接觸。由式(6.2〉可見,在Ub較小的情況下,可把這種接觸近似為歐姆接觸,實際上它是一種低勢壘高度肖特基接觸。由表6.1可見,鉑與p型硅可形成這種接觸。3.高復合中心歐姆接觸當半導體表面具有較高的復合中心密度時,金屬－半導體間的電流傳輸主要受復合中心的產生-復合機構控制。高復合中心密度會使撞觸電阻明顯減小,伏安特性近似對稱，半導體與金屬形成歐姆接觸。電力半導體器件接觸電極，IC背面金屬化，常采用這種方式形成歐姆接觸。引入高密度復合中心的方法很多,如噴砂、離子注入、擴散原子半徑與半導體原子半徑相差較大的雜質等。隨著微電子器件特征尺寸的縮小,芯片面積和集成密度的日益增大,對互連和接觸技術的要求不斷提高。除要求接觸具有良好的歐姆特性外,對布線互連的基本要求有:①布線材料具有低的電阻率和良好的穩(wěn)定性；②布線材料可被精細刻蝕,并具有抗環(huán)境侵蝕的能力；③布線材料易于沉積成膜,粘附性好,沉積的膜對臺階覆蓋好；④布線具有強的抗電遷移的能力,并且具有良好的可焊性。

§9.2布線技術

涉及金屬膜的制備和金屬合金化工藝。它是布線互連及芯片粘貼的基礎。1.金屬沉積－常用的金屬沉積方法除化學電鍍外,主要有電子束蒸發(fā)、電阻加熱蒸發(fā)、濺射和CVD。采用什么方法沉積金屬膜,都必須解決下列問題：(1)臺階覆蓋－這將造成金屬布線在臺階處開路或無法通過較大的工作電流。(2)致密性－疏松的金屬膜容易吸附水氣和雜質離子,并產生化學反應,導致金屬膜特性的退化,降低沉積速度將有助于提高膜的致密性。(3)粘附性－金屬膜必須與晶片表面氧化層具有良好的粘附性。(4)穩(wěn)定性－金屬與半導體間的任何反應都會對器件特性造成影響。例如,在鋁、硅接觸的“結刺穿”

“電遷移現(xiàn)象”。金屬化方法

合金化工藝：金屬膜經圖形加工后,形成互連線。但是,還必須對互連金屬層進行熱處理,使金屬牢固地附著于晶片表面,并且與半導體形成良好的歐姆接觸,這一熱處理工藝稱之為合金化工藝。

合金化兩個原理:一是增強金屬對氧化層的還原作用,提高粘附結合力;二是利用半導體元素在金屬中存在一定的固溶度。熱處理使金屬與半導體接觸界面形成一薄合金層或化合物層,并通過這一薄層與表面重摻雜的半導體形成良好的歐姆接觸。(1)歐姆接觸合金化(2)粘貼合金－共晶法粘貼；合金纖焊粘貼；聚合物粘貼

金屬化材料的選擇布線和合金粘貼的金屬化材料的選擇是十分重要的。由于在這兩種工藝中的金屬材料的用途不同,選擇也不盡相同。

(1)布線材料：硅器件布線材料除廣泛使用純鋁等金屬材料外,由于難熔金屬硅化物電阻率接近金屬材料,并具有更好的高溫穩(wěn)定性和抗電遷移能力,以及可避免產生金屬與硅共熔破壞淺結的現(xiàn)象,難熔金屬硅化物作為布線材料愈來愈受到人們的重視。多晶硅也常作為布線材料。多晶硅具有性能穩(wěn)定的特點,但是,多晶硅電阻率一般為金屬硅化物的10倍。目前,還沒有一種金屬材料能全面完美地滿足布線互連的要求。常用多層結構（接觸層、粘附層、阻擋層和金屬層）。

接觸與互連Al是目前集成電路工藝中最常用的金屬互連材料但Al連線也存在一些比較嚴重的問題電遷移嚴重、電阻率偏高、淺結穿透等Cu連線工藝有望從根本上解決該問題IBM、Motorola等已經開發(fā)成功目前，互連線已經占到芯片總面積的70～80%；且連線的寬度越來越窄，電流密度迅速增加布線金屬的電遷移電流流過布線金屬層時,導電電子與金屬離子發(fā)生碰撞并產生動量交換,金屬離子將沿電子流的方向運動,形成金屬的遷移運動,這種運動現(xiàn)象稱之為電遷移。電遷移的結果將導致金屬在靠近正極一端堆積,形成小丘或晶須,而靠近負極端則產生空洞。金屬的堆積會引起布線金屬間短路、空洞則會引起布線金屬開路。金屬鋁,在150℃、105A/cm2電流密度下,就會產生明顯的電遷移現(xiàn)象?；ミB工藝步驟：光刻、刻蝕接觸孔形成互連線圖形高濃度摻雜淀積絕緣層形成互連材料合金化處理蒸發(fā)、濺射或CVD形成AL-Si、Cu光刻、刻蝕出連線圖形為降低接觸電阻率，400－450℃的N2-H2中熱處理為減小接觸電阻，在互連區(qū)高濃度摻雜如二氧化硅在絕緣層上刻出接觸窗口Motorata開發(fā)的六層Cu互連結構的相片多層互連集成電路多層布線結構圖定義：用導電金屬絲、薄帶將芯片I/O端與框架或基座的外引線端相連接的加工過程稱之為鍵合。

芯片分割－在鍵合之前,必須先將大圓片上成百上千個矩形IC芯片分割,逐個粘貼于引線框架或基座上（劃片、管芯分離）主要引線鍵合方法：熱壓鍵合（針壓鍵合、金絲球鍵合）超聲鍵合（用于鋁－鋁鍵合）載帶自動鍵合

§9.3鍵合技術

完成集成電路的所有制造工藝，并經初步測試合格后，需要進行的下一步工作就是封裝。沒有封裝的集成電路一般不能直接使用。

§9.4封裝技術封裝工藝流程：劃片分類管芯鍵合引線鍵合密封測試鍵合封裝將芯片固定到合適的集成電路管座上（有時需共晶焊、聚合物粘接）采用細金屬絲將芯片的壓焊點與管座的引線連接起來的工藝集成電路封裝工藝流程集成電路封裝類型很多，按管殼分為：金屬封裝;塑料封裝;陶瓷封裝各種封裝類型示意圖封裝好的集成電路集成工藝小結1、前工序：是指從原始晶片直至最終測試之前