CC BY
31
УДК 538.971 - 034.7
ИССЛЕДОВАНИЕ МОРФОЛОГИИ АЛЮМИНИЕВОЙ МЕТАЛЛИЗАЦИИ НА КОНТАКТНЫХ ПЛОЩАДКАХ КРИСТАЛЛА ПЛИС
Е.В. Гончаренко, Т.Г. Меньшикова, М.В. Гречкина, Е.Н. Бормонтов
Надежность полупроводниковых изделий тесно связана с технологией производства и, в особенности, с операциями получения контактных соединений. Одной из наиболее распространенных причин отказов, связанных с процессом производства, является нарушение микросоединений кристалла с корпусом и внутренних выводов с контактными площадками кристалла и корпуса. По данным отечественной и зарубежной литературы от 35 до 60 % всех отказов в радиоэлектронной аппаратуре приходится на долю микросоединений.
На надежность соединений влияют физико-механические свойства материала контактных площадок. Например, акустические условия в зоне УЗС зависят от морфологии покрытий контактных площадок. Для образования прочного и надежного микросоединения необходимо иметь поверхность покрытия контактных площадок с малой высотой микронеровностей и, по возможности, меньшим значением внутренних напряжений в покрытии.
Изучено влияние состояния металлизации контактных площадок кристалла программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС) на качество сварного шва. Морфология поверхности алюминиевой металлизации изучалась в полуконтактном режиме атомно-силовой микроскопии. Данные о химическом составе получены методом растровой электронной микроскопии. Визуальный контроль проводился при помощи оптического микроскопа Jenatech с увеличением 1000х
Ключевые слова: алюминиевая металлизация, программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС), контактная площадка
ВВЕДЕНИЕ Изготовление любых ПЛИС завершают операции сборки и монтажа, при которых формируются микросоединения между контактными площадками элементов прибора [1]. Прочность внутренних соединений и его повторяемость напрямую зависит от типа, материала поверхности и проводника, диаметра привариваемого проводника, выбранных режимов сварки и чистоты поверхности. На надежность соединений также влияют физико-механические свойства материала контактных площадок. Например, акустические условия в зоне УЗС зависят от морфологии покрытий контактных площадок [2]. Для образования прочного и надежного микросоединения необходимо иметь поверхность покрытия контактных площадок с малой высотой микронеровностей и, по возможности, меньшим значением внутренних напряжений в покрытии [3].
Цель работы заключается в исследовании морфологии поверхности алюминиевой металлизации контактных площадок кристалла ПЛИС.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ В данной работе объектом исследования являлась алюминиевая металлизация контактных
Гончаренко Евгений Владимирович - ВГУ, аспирант, e-mail: zews-00@mail.ru
Меньшикова Татьяна Геннадьевна - ВГТУ, канд. физ.-мат. наук, доцент, е-mail: menshikova.vrn@mail.ru Гречкина Маргарита Владимировна - ВГУ, инженер ЦКП НО, e-mail: grechkina m@mail.ru
Бормонтов Евгений Николаевич - ВГУ, д-р физ.-мат. наук, профессор, e-mail: me 144@phys .vsu.ru
площадок ПЛИС серии 5576, изготавливаемых АО «ВЗПП-С». Толщина алюминия в среднем составляла 1 мкм. Размеры контактной площадки 100x100 мкм. Количество контактных площадок на ПЛИС составляет 256 шт. ПЛИС взяты после операции «Разбраковка кристаллов на пластине по электрическим параметрам» с использованием вольфрамовых зондов.
Морфология поверхности исследовалась методом сканирующей силовой микроскопии в полуконтактном режиме на сканирующем зондовом микроскопе (СЗМ) Solver P47 Pro. При сканировании использовались композитные поликремниевые кантилеверы HA_NC Etalon с радиусом закругления острия зонда 10 нм и резонансными частотами 145 и 232 кГц. Неоднородные свойства поверхности
контролировались методом отображения фазы.
Дополнительно морфология образцов контролировалась методом растровой электронной микроскопии на РЭМ JSM-6510LV (JEOL Ltd). Элементный состав пленок определялся с помощью системы энергодисперсионного анализа X-flash (Bruker).
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
В микроэлектронике проводники создаются с помощью различных видов сварки. В процессе ультразвуковой сварки основой для производства проводников являются колебания с частотой, лежащей вне пределов слышимого диапазона. Именно этот метод используется при создании внутренних соединений ПЛИС серии 5576.
Разварка внутренних соединений производится на установке ультразвуковой сварки Bondjet BJ820 алюминиевой проволокой 0 35 мкм. В процессе проведения операции
разварки существует проблема - внутренний вывод не приваривается к контактной площадке кристалла (отслоение приваренного внутреннего соединения) (рис. 1). Данный дефект не позволяет дальнейшее использование ПЛИС в работе.
Рис. 1. Отслоение приваренного контактного вывода
Для решения данной задачи необходимо понимание процессов протекающих на поверхности и в объеме алюминиевой металлизации при транспортировке, хранении, проведении контрольных измерений и процессов ультразвуковой сварки.
Морфология поверхности каждого из образцов исследовалась в 5 точках. Площадь сканирования варьировалась от 1х1 мкм2 до 67х67 мкм2. На рис. 2 (а,б,в,г,д,е) приведены изображения характерных участков 3-х разных контактных площадок с площадью сканирования 10х10 мкм2.
File: Ns13_1_3.mdt.spm mage data Heiqht
File: №13_1 _3. mdt epm Image data: Phase2
Рис. 2. АСМ-изображение рельефа поверхности (а,в,д) и фазы (б,г,е) пленки алюминия 3-х разных
контактных площадок
О 20000 40000 00000 00000 А° 0 20000 40000 60000 80000 А°
File: N9l3_1_2.mdt.spm File: te13J_2.mdt.spm
Image data: Height Д) Image data: Phase2 E)
Рис. 2. АСМ-изображение рельефа поверхности (а,в,д) и фазы (б,г,е) пленки алюминия 3-х разных
контактных площадок (продолжение)
Поверхность сильно загрязнена. На поверхности пленки присутствуют участки различной формы диаметром от 0,1 до 0,3 мкм и высотой до 150 нм.
Дополнительно исследование образцов проводилось методом растровой электронной микроскопии JSM-6510LV (JEOL Ltd). Элементный состав пленок определялся с помощью системы энергодисперсионного анализа X-flash (Bruker).
которая находится под слоем алюминиевого покрытия.
cps/eV
Si 4 5 .6 7 8 9 ' " " ""i
keV
Рис. 4. Элементный состав контактной площадки ПЛИС
Процентное содержание химических элементов в контактной площадке
SEI 30kV WD10mi
Химический Wt. %
элемент
C 5,708717
O 5,597612
Al 52,03568
Si 13,48945
Ar 0,570771
Ti 12,23532
W 10,36245
SS30 xS00 50|jm
Рис. 3. Изображение контактной площадки, полученное методом РЭМ
На полученном изображении при увеличении х500 мы видим контактную площадку. В центре контактной площадки расположен отпечаток от вольфрамового зонда, полученный при контроле электрических параметров ПЛИС. Так как глубина проникновения электронов в РЭМ может достигать 2 мкм, то на представленном изображении мы наблюдаем поверхность Т^
Наличие вольфрама в элементном составе контактной площадки может объясняться проведением контроля электрических параметров с использованием вольфрамовых зондов.
На рис. 5 представлена поверхность пленки алюминия, снятая на оптическом микроскопе Jenatech с увеличением х1000.
Рис. 5. Поверхность контактной площадки а) до снятия алюминиевого покрытия, б) после снятия алюминиевого покрытия
В центре контактной площадки расположен отпечаток от зонда. Размер отпечатка 15х40 мкм. Для анализа глубины проникновения вольфрамового зонда проводилось снятие
алюминиевого покрытия путем химического травления в 10 % водном растворе КОН при температуре 80 °С в течение 20 минут.
После снятия алюминиевого покрытия мы также наблюдаем отпечаток, что свидетельствует о достаточно глубоком проникновении вольфрамового зонда.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Установлено, что проведение операции «разбраковка кристаллов на пластине по э/п», с использованием зондовой установки, при разновысотном расположении зондов, приводит к разрыву алюминиевой металлизации. В результате чего алюминиевые выводы не привариваются к контактным площадкам ПЛИС.
Результаты исследований получены на оборудовании Центра коллективного пользования научным оборудованием ВГУ.
Литература
1. Зенин В.В. Монтаж кристаллов и внутренних выводов в производстве полупроводниковых изделий [Текст]: монография / В.В. Зенин. Воронеж: ВГТУ, 2013. - С. 205.
2. Арутюнов П.А. Система параметров для анализа шероховатости и микрорельефа поверхности материалов в сканирующей зондовой микроскопии [Текст] / П.А. Арутюнов, А.Л. Толстихина, В.И. Демидов // Заводская лаборатория. - 1999. - Т. 65. - №9. - С. 31 - 41.
3. Смолин В.К. Особенности применения алюминиевой металлизации в интегральных схемах [Текст] / В.К. Смолин // Микроэлектроника. - 2004. - Т. 33. - №1 - С. 10-16.
Воронежский государственный университет Воронежский государственный технический университет
MORPHOLOGY ALUMINUM METALLIZATION ON THE FPGA CHIP CONTACT PADS
E.V. Goncharenko, post-graduate, Voronezh State University, Voronezh, Russian Federation, e-mail: zews-00@mail.ru
T.G. Menshikova, Candidate of Physico-Mathematical Sciences, Associate Professor, Voronezh State Technical University, Voronezh, Russian Federation, e -mail: menshikova.vrn@mail.ru M.V. Grechkina, engineer of the center for collective use of scientific equipment, Voronezh State University, Voronezh, Russian Federation, e-mail: grechkina m@mail.ru
E.N. Bormontov, Doctor of Physico-Mathematical Sciences, Professor, Voronezh State University, Voronezh, Russian Federation, e-mail: me144@phys.vsu.ru
The reliability of semiconductor devices is concerned with the production technology, especially with contact connections operations. One of the most common causes of failures, related to the process of producing, is a damage of the
crystal and case microjoints and inner connectors with contact pads of crystal and case. According to native and foreign literature from 35 to 60% of all failures in electronic devices caused by mikrojoints.
Physics mechanical properties of the platforms material affect on the reliability of connections. For example, acoustic conditions at the USW zone depend on morphology of contact platforms covering. In order to form strong and reliable microjoint is necessary to have contact platforms covering with small height of microroughnesses and, whenever possible, smaller value of internal tension.
The Influence of a condition of FPGA crystal contact platforms metallization on quality of a weld seam was studied. The morphology of a surface of aluminum metallization was studied using atomic-force microscopy (AFM) in the semi-contact mode. Chemical composition data were obtained by scanning electron microscope (SEM) method. Visual check was performed using Jenatech optical microscope with increase 1000x
Key words: aluminum metallization, programmable logic integrated circuits (FPGAs) pad
References
1. Zenin V.V. Montazh kristallov i vnutrennih vyvodov v proizvodstve poluprovodnikovyh izdelij [Installation of crystals and internal conclusions in production of semiconductor products]: monografija / V.V. Zenin // FGBOU VO "Voronezhskij gosudarstvennyj tehnicheskij universitet". - 2013. - S. 205.
2. Arutyunov P.A. Sistema parametrov dlya analiza sherokhovatosti i mikrorel'efa poverkhnosti materialov v skaniruyushchei zondovoi mikroskopii [System parameters for the analysis of surface roughness and micro-relief materials in scanning probe microscopy] / P.A. Arutyunov, A.L. Tolstikhina, V.I. Demidov // Zavodskaya laboratoriya. - 1999. - Vol. 65. - N. 9 - P. 31 - 41.
3. Smolin V.K. Osobennosti primeneniya alyuminievoi metallizatsii v integral'nykh skhemakh [The application features an aluminum metallization in integrated circuits] / V.K. Smolin // Mikroelektronika. - 2004. - Vol. 33. - N. 1 - P. 10-16
