БОЛЬШАЯ ИНТЕГРАЛЬНАЯ СХЕМА Российский патент 1996 года по МПК H01L23/00 

Изобретение относится к области микроэлектроники и может быть использовано в производстве полупроводниковых интегральных схем (ИС) с большой (БИС) и сверхбольшой (СБИС) степенью интеграции, а также при производстве многокристальных модулей (МКМ) и других гибридных микросборок узлов и блоков изделий электронной техники (ИЭТ) и радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) повышенной группы сложности, обладающих расширенными функциональными возможностями и малыми массо-габаритными показателями.

Известны конструкции больших интегральных схем и других плотно упакованных устройств, описания которых представлены в материалах заявок Японии [2-4,6] и патентных документах других стран [5,7-9]
В материалах заявок [2-4,5] представлены описания конструкций больших интегральных схем, основанных на реализации принципа "интеграции на целой пластине", когда после формирования физических слоев 3-7 типов монолитных ИС, размещенных на поверхности одной полупроводниковой пластины, методами функционального контроля проводят фиксирование либо функционально годных кристаллов монолитных ИС, либо отдельных функционально законченных блоков и узлов ИС. После чего, используя методы машинного проектирования и трассировки, формируют индивидуально для каждой пластины многоуровневую разводку, позволяющую скоммутировать функционально годные кристаллы или отдельные блоки монолитных ИС в единую функционально законченную систему или устройство.

В материалах заявок [6-8] представлены описания конструкций плотноупакованных устройств и блоков ИЭТ и РЭА, основанных на реализации принципов монтажа кристаллов монолитных ИС на поверхность инородных плат со сформированными коммутационными системами, позволяющими объединить изготовленные по разным технологиям отдельные монолитные ИС в функционально законченное устройство или блок, размещенный на едином основании.

В материалах [9] представлено описание кремниевой подложки с универсально программируемыми межсоединениями, получившей название Unipro SSB и содержащей сетку тонкопленочных металлических межсоединений, которые в местах пересечения разделены тонким слоем аморфного поликристаллического кремния. При приложении к месту пересечения напряжения около 20 В аморфный кремний становится проводящим, образуя "заказное" межсоединение. Крепление компонентов, в том числе и кристаллов монолитных ИС, осуществляется посредством эпоксидного клея, а коммутирование контактных площадок смонтированных кристаллов с металлическими межсоединениями коммутационной платы выполнено с использованием токопроводящих проводников.

Основными недостатками конструкций больших интегральных схем и многокристальных модулей на их основе, описание которых представлено в материалах патентных документов [2-4,5] являются:
низкие значения надежностных характеристик, что связано с недостаточностью информации при проведении функционального контроля кристаллов монолитных ИС в составе пластин;
индивидуальность создания коммутационной системы для каждой пластины в силу непредсказуемости распределения функционально годных кристаллов или блоков монолитных ИС, размещенных на одной пластине;
невозможность использования полупроводниковых приборов, изготовленных с использованием различных технологий;
необходимость создания технологических процессов и приемов, обеспечивающих планаризацию поверхностного рельефа большой площади.

К числу основных недостатков конструкций плотноупакованных узлов и блоков ИЭТ и РЭА, описание которых представлены в материалах патентных документов [6-8] следует отнести:
низкую плотность монтажа, связанную с невозможностью создания шин разводки шириной менее 100 мкм;
низкие показатели надежности, связанные с использованием материалов, обладающих различными коэффициентами термического расширения (КТР);
трудности, связанные с решением проблем теплоотвода выделяемой в процессе эксплуатации тепловой мощности;
низкие показатели ремонтоспособности;
высокую себестоимость изготовления и проведения испытаний;
широкое использование остродефицитных и драгоценных металлов, что в значительной мере ухудшает технико-экономические показатели производства.

К числу основных недостатков конструкции, описание которой представлено в материалах [9] следует отнести:
низкую технологичность, связанную с необходимостью использования для фиксации кристаллов монолитных ИС на поверхности подложки с коммутационной системой различных клеевых композиций, что в значительной степени приводит к увеличению теплового сопротивления;
затруднен процесс монтажа кристаллов монолитных ИС на поверхность коммутационной платы в автоматическом режиме, что связано с использованием в качестве фиксирующих элементов конструкции клеевых композиций;
трудности с монтажом кристаллов на поверхность коммутационной платы из монокристаллического кремния, что связано с необходимостью использования прецизионного оптического оборудования с большой глубиной резкости;
отсутствие защитного покрытия коммутационной системы коммутационной платы в большинстве практических случаев использования может привести к снижению надежностных характеристик или уменьшению времени наработки на отказ;
ограничены функциональные возможности устройства вследствие использования в качестве коммутационной системы только двух уровней межсоединений, выполненных из алюминия;
недостаточный уровень плотности монтажа, связанный с необходимостью использования шин межсоединений, выполненных из алюминия, в качестве контактных площадок коммутационной системы коммутационной платы, что делает весьма ограниченными области применения известной конструкции.

Наиболее близким по технической сущности решением является конструкция большой интегральной схемы [2]
Известная конструкция обеспечивает наибольшую плотность компоновки из известных до настоящего времени конструкций плотноупакованных конструкций узлов и блоков, но вместе с тем известная конструкция обладает целым рядом существенных недостатков, к числу которых следует отнести:
необходимость использования для монтажа кристаллов монолитных ИС средств технического видения, что в значительной мере снижает технико-экономические показатели производства функционально сложных узлов и блоков ИЭТ и РЭА;
недостаточно эффективно используется объем материала кристаллодержателя, в известной конструкции полупроводниковой пластине отводится чисто пассивная роль, она выполняет функции кристаллоносителя и служит подложкой для формирования физических слоев коммутационной системы;
низкая степень автоматизации процессов монтажа и сборки, связанная с использованием дорогостоящего прецизионного оптического оборудования с большой глубиной резкости;
низкие надежностные показатели, связанные с небольшой толщиной пластин полупроводникового материала, используемой в качестве исходного материала.

Выше перечисленные недостатки известной конструкции, принятой за прототип, существенно затрудняют использование известной конструкции в качестве базовой для создания узлов и блоков ИЭТ и РЭА повышенной группы сложности, используемых в конструкциях электронных наручных часов (ЭНЧ), персональных компьютеров (ПК), автоматизированных рабочих мест (АРМ) на основе последних, а также других приборов и изделий бытового, общепромышленного или специального назначения.

Целью изобретения является повышение надежности и технологичности изготовления больших интегральных схем.

Поставленная цель достигается тем, что в большой интегральной схеме, содержащей кристаллодержатель, выполненный из монокристаллического полупроводникового материала с кристаллографической ориентацией (100), со сформированной на его поверхности многоуровневой коммутационной системой, на контактных площадках которой выполнены частично размещенные в объеме полупроводникового материала тела контактирования, выполненные в виде шаровых или столбиковых выводов, покрытых слоем припоя, и по крайней мере один кристалл полупроводникового прибора с контактными площадками, на поверхности кристаллодержателя установлен кондуктор в виде пластины из монокристаллического полупроводникового материала с кристаллографической ориентацией (100), выполненный с отверстием, в котором размещен кристалл, боковая поверхность которого и боковая поверхность отверстия конформны и выполнены в виде равнобочных трапеций, образованных семействами кристаллографических плоскостейIII} а основаниями кристалла и отверстия служат прямоугольники, образованные кристаллографическими плоскостями (100), причем линейные размеры отверстия выбраны из соотношения:
L_конд L_кр + 1,41 (Н_конд Н_{телаконт}),
где L_кр линейный размер кристалла полупроводникового прибора, мкм;
L_конд линейный размер основания отверстия кондуктора, мкм;
H_конд толщина тела кондуктора, мкм;
Н_{телаконт} высота тела контактирования, мкм.

На чертеже представлен поперечный вертикальный разрез структуры большой интегральной схемы.

Большая интегральная схема содержит первую пластину монокристаллического кремния 1, рабочая поверхность которой ориентирована в направлении кристаллографической плоскости (100), сигнальные шины 2 и 3 многоуровневой коммутационной системы, сформированной на поверхности пластины, выполняющей функции кристаллодержателя, слои межслойного диэлектрика 4, защитного диэлектрика 5, контактные площадки 6 коммутационной системы кристаллодержателя, выполненные в верхнем уровне металлизации тела контактирования 7, размещенные на контактных площадках 6 и нижней частью 8 заглубленные в объем материала полупроводникового кристаллодержателя, диффузионные области полупроводника 9 p-типа проводимости, в объем материала которых заглублены тела контактирования, слои олова 10 и индия 11, выполняющие функции припоя, контактные площадки 12 монолитных ИС и других компонентов в микроэлектронном исполнении, обеспечивающих работоспособность устройства в целом, кристаллы монолитных ИС 13, смонтированные на знакоместа, образованные телами контактирования кристаллодержателя, слои поликристаллического кремния 14, выполняющего функции демпфирующего слоя и отделяющие нижнюю часть тел контактирования от объема материала кристаллоносителя, кондуктор 15, представляющий собой пластину монокристаллического кремния, рабочая поверхность которой ориентирована в направлении кристаллографической плоскости (100), со сквозными отверстиями 16, служащими для размещения кристаллов монолитных ИС, боковые грани 17 кристаллов монолитных ИС, основания кристаллов 18 и 19 монолитных ИС, боковые грани 20 сквозных отверстий кондуктора, слои диоксида кремния 21 и 22 на поверхности кондуктора и кристаллов монолитных ИС.

Далее приведены примеры практической реализации конструкции большой интегральной схемы.

Пример 1.

На поверхности полупроводниковой пластины 1, представляющей собой пластину монокристаллического кремния 100 КЭФ 4,5 (100)-480, отвечающего требованиям ЕТО.035.206 ТУ, ЕТО.035.217 ТУ, ЕТО.035.240 ТУ или ЕТО.035.245 СТУ n-типа проводимости, выполняющей одновременно функции несущего основания и коммутационной платы, методами планарной технологии сформирована многоуровневая коммутационная система, состоящая из двух уровней металлизированных проводящих сигнальных шин 2 и 3, межслойного диэлектрика 4, защитного слоя 5, контактных площадок 6 со сформированными на поверхности последних телами контактирования 7, выполненными в виде шаровых или столбиковых выводов. Нижняя часть 8 тел контактирования 7 заглублена частично в приповерхностный объем 9, представляющий собой область полупроводника p-типа проводимости. Верхняя часть тел контактирования 7 покрыта слоями индия 10 и олова 11, имеющих низкую температуру плавления и выполняющих функции припоя, при этом тело контактирования 7 выполнено из меди. Для компенсации различного рода механических напряжений, возникающих как под воздействием температурных воздействий, так и при механических воздействиях во время проведения операций монтажа и присоединения контактных площадок 12 кристаллов монолитных ИС 13 или других компонентов в микроэлектронном исполнении, обеспечивающих работоспособность устройства в целом, нижняя часть 8 тела контактирования отделена от объема полупроводниковой пластины 1 слоем 14 поликристаллического кремния, толщиной 0,1-0,65 мкм, выполняющего функции демпфирующего элемента конструкции.

На поверхности пластины 1 смонтирован кондуктор 15, представляющий собой пластину монокристаллического кремния 100 КЭФ 4,5 (100)-480, отвечающего требованиям, приведенным выше. В пластине 15 сформированы сквозные отверстия 16, форма и геометрические размеры которых конформно воспроизводят форму и геометрические размеры соответствующих кристаллов 13 монолитных ИС. При этом кристаллы 13 выполнены в виде усеченных пирамид, боковые грани которых представляют собой наборы равнобочных трапеций, образованных семейством кристаллографических плоскостейIII} Боковые грани 17 кристаллов монолитных ИС образуют с плоскостями оснований 18 или 19, представляющими собой прямоугольники, образованные кристаллографическими плоскостями (100), угол 54,75^o или 125,25^o. На меньшем по площади основании 18 кристалла монолитной ИС сформированы физические слои монолитной ИС или других компонентов в микроэлектронном исполнении с коммутационными системами, снабженными контактными площадками 12, находящимися в непосредственном физическом и электрическом контакте с телами контактирования 7 за счет образования паянного контакта с металлами 10 и 11, покрывающими тела контактирования 7.

Тела контактирования 7 в определенных сочетаниях образуют знакоместа для монтируемых методом перевернутого кристалла кристаллов монолитных ИС 13, которое к тому же ограничено и боковыми гранями 20 сквозных отверстий 16 кондуктора. При этом боковые грани 20 служат направляющими при монтаже кристаллов 13, что позволяет без использования дорогостоящих систем технического зрения производить монтаж кристаллов 13 в соответствующие отверстия кондуктора до физического контакта контактных площадок 12 с верхними частями тел контактирования 7.

Вследствие того, что линейный размер сквозного отверстия 16 кондуктора всегда больше линейного размера основания 18 кристалла 13 монолитной ИС, реализуется возможность проведения автоматизированного монтажа кристаллов 13 в сквозные отверстия 16 кондуктора с последующим нагревом либо отдельных смонтированных кристаллов монолитных ИС, либо всех кристаллов 13, смонтированных в сквозные отверстия 16, до температур, при которых происходит расплавление слоев 10 и 11 припоя и образование эвтектического слоя, создающего паянный контакт с материалом контактной площадки 12.

В силу того, что как сквозные отверстия 16 кондуктора 15, так и кристаллы 13 монолитных ИС получены с использованием методов фотолитографической обработки и анизотропного травления, то между линейными размерами элементов конструкции большой интегральной схемы выполняется следующее соотношение:
L_конд L_кр + 1,41 (Н_конд Н_{телаконт}),
где L_кр линейный размер кристалла полупроводникового прибора, мкм;
L_конд линейный размер основания отверстия кондуктора, мкм;
Н_конд толщина пластины кондуктора, мкм;
Н_тела высота тела контактирования, мкм.

Вследствие того, что поверхность тела кондуктора 15, также как и поверхность боковых граней 20 сквозных отверстий 16, покрыта слоями 21 двуокиси кремния, а в боковые грани 17 смонтированных кристаллов 13 проведена диффузия атомов германия, реализована возможность фиксации кристаллов 13 монолитных ИС в сквозных отверстиях 16 кондуктора за счет образования стекол с низкой температурой плавления.

Пример 2.

Конструкция большой интегральной схемы аналогична конструкции, описание которой представлено в примере 1, за исключением того, что в качестве материала как кристаллодержателя, так и кондуктора использованы пластины монокристаллического кремния 100 КДБ 10(100)-480, отвечающие требованиям ТУ, указанным выше.

Большая интегральная схема предлагаемой конструкции работает следующим образом.

По сигнальным шинам 2 и 3 многоуровневой коммутационной системы кристаллодержателя 1 сигнал с внешнего устройства через тела контактирования 7 подается на контактные площадки 12 монолитных интегральных схем 13, размещенных в сквозных отверстиях 16 кондуктора 15, смонтированного на поверхности кристаллодержателя 1, обрабатывается и через тела контактирования 7 и сигнальные шины 2 и 3 многоуровневой коммутационной системы кристаллодержателя поступает на внешние контактные площадки большой интегральной схемы, скоммутированные с внешними устройствами.

Конструкция большой интегральной схемы, в технологическом цикле изготовления которой широко использованы приемы и методы планарной технологии, найдет широкое применение при создании узлов и блоков ИЭТ и РЭА повышенной группы сложности с расширенными функциональными возможностями, улучшенными массо-габаритными показателями и повышенными надежностными характеристиками в производстве электромеханических и электронных наручных часов, в производстве информационных панелей на ЖК-индикаторах, высокостабилизированных вторичных источников питания, средств вычислительной техники, в частности компьютеров типа "Миллион на столе" и автоматизированных рабочих мест.

Использование предлагаемой конструкции большой интегральной схемы по сравнению с конструкцией большой интегральной схемы, принятой за прототип, позволяет получить следующие преимущества:
автоматизировать процесс монтажа кристаллов монолитных ИС за счет использования кондуктора со сквозными отверстиями, боковые грани которых служат направляющими;
снизить производственные затраты за счет отказа от использования дорогостоящего высокопрецизионного оборудования для монтажа кристаллов, в частности средств технического зрения;
повысить надежность конструкции многокристальной сборки за счет точного позицирования кристаллов монолитных ИС в сквозных отверстиях кондуктора;
повысить механическую прочность конструкции за счет увеличения общей толщины кристаллодержателя с учетом толщины пластины кондуктора;
обеспечивает прецизионность монтажа кристаллов монолитных ИС за счет использования в технологическом цикле изготовления только процессов планарной технологии и селективного травления;
позволяет повысить эффективность производства полупроводниковых приборов за счет использования в качестве исходных материалов для кристаллодержателя и кондуктора пластин монокристаллического кремния, ушедших в брак на отдельных этапах технологического цикла изготовления полупроводниковых приборов, т.е. создать безотходное производство.

Изобретение относится к микроэлектронике. Большая интегральная схема содержит кристаллодержатель, выполненный из пластины монокристаллического полупроводникового материала с кристаллографической ориентацией (100), на поверхности которой сформированы физические слои многоуровневой коммутационной системы с телами контактирования, образующими в определенных сочетаниях знакоместа для кристаллов, монтируемых методом перевернутого кристалла, монолитных интегральных схем и других компонентов в микроэлектронном исполнении. Кристаллы выполнены из полупроводникового монокристаллического материала с кристаллографической ориентацией (100) и имеют форму усеченных пирамид, боковые грани которых представляют собой наборы равнобочных трапеций, образованных семейством кристаллографических плоскостей {III}. На поверхности основания кристаллодержателя смонтирован кондуктор, выполненный из монокристаллического полупроводникового материала, в сквозных отверстиях которого размещены кристаллы монолитных интегральных схем и других компонентов. Сквозные отверстия кондуктора конформно воспроизводят форму и геометрические размеры кристаллов. 1 ил.

Большая интегральная схема, содержащая кристаллодержатель, выполненный из монокристаллического полупроводникового материала с кристаллографической ориентацией (100), со сформированной на его поверхности многоуровневой коммутационной системой, на контактных площадках которой выполнены частично размещенные в объеме полупроводникового материала тела контактирования, выполненные в виде шаровых или столбиковых выводов, покрытых слоем припоя и, по крайней мере, один кристалл полупроводникового прибора с контактными площадками, отличающаяся тем, что, с целью повышения надежности и технологичности, на поверхности кристаллодержателя установлен кондуктор в виде пластины из монокристаллического полупроводникового материала с кристаллографической ориентацией (100), выполненный с отверстием, в котором размещен кристалл, боковая поверхность которого и боковая поверхность отверстия конформны и выполнены в виде равнобочных трапеций, образованных семействами кристаллографических плоскостей III} а основаниями кристалла и отверстия служат прямоугольники, образованные кристаллографическими плоскостями (100), причем линейные размеры отверстия выбраны из соотношения:
L_{к о н д} L_к р + 1,41 (Н_{к о н д} Н_{т е л ак о н т}), где L_к р линейный размер кристалла полупроводникового прибора, мкм;
L_{к о н д} линейный размер основания отверстия кондуктора, мкм;
Н_{к о н д} толщина пластины кондуктора, мкм;
Н_{т е л ак о н т .} - высота тела контактирования, мкм.