Диссертация (Технологические основы и методики послойного травления кристаллов интегральных схем с системой межсоединений на основе меди), страница 10

2.1.1). На рисунках 2.2.14 и 2.2.15приведены схема сечения и РЭМ изображения фрагментов топологиикристалла, подготовленного для проведения исследований.межслойные проводники М10vМ9медные проводники М10внутрислойныйдиэлектрик dМ10Рис. 2.2.14. Схема сечения кристалла ПЛИС Virtex-4, подготовленногок исследованиям.82Рис. 2.2.15. Изображение фрагмента топологии кристалла ПЛИСVirtex-4, подготовленного к исследованиям.2.2.2. ПЛИС ф.

XILINX Virtex-6Подготовка образца кристалла ПЛИС ф. XILINX Virtex-6 кисследованиям выполнялась аналогично кристаллу Virtex-4 (п. 2.2.1).Для исследования конструктивных особенностей кристалла ПЛИС ф.Xilinx Virtex-6 был осуществлен к нему доступ. После удаленияметаллической крышки корпуса при помощи скальпеля (рис. 2.2.16а, б),ИС помещалась в сосуд с нагретой до 90°С дымящей кислотой(концентрированная азотная кислота), где растворялся клей междупечатной платой и кристаллом (рис.

2.2.16в). Далее образец нагревался наплитке до температуры плавления припоя (BGA-соединения между МПП икристаллом), после чего кристалл был отделен от платы (рис. 2.2.16г). Вотличии от растворения клея между печатной платой и кристаллом вдекапсуляторе (п. 2.2.1), в данном случае на поверхности кристаллаобразовался черный налет (рис. 2.2.16г), который не удалялся дымящейкислотой. Удаление данного налета и остатков припоя было выполненоручным шлифованием кристалла о жесткий шлифовальный круг сабразивом 1 мкм (рис. 2.2.17).83а)б)в)г)Рис.

2.2.16. ПЛИС ф. Xilinx Virtex-6 (а - внешний вид ИС; б - ИС сотделенной металлической крышкой; в - ИС после удаления клея междуплатой и кристаллом; г - плата и кристалл после их разделения).а)б)Рис. 2.2.17. Фрагменты топологии кристалла ПЛИС ф. Xilinx Virtex-6после удаления черного налета и остатков припоя (а - наклон образца 0°,б - наклон образца 52°).Для исследования конструктивных особенностей топологии кристаллаVirtex-6, при помощи РЭИМ Quanta 200 3d, было сделано вертикальноесечение топологии кристалла в области контакта (рис. 2.2.18а).84а)б)Рис. 2.2.18.

Изображения вертикального сечения топологии кристаллаПЛИС ф. Xilinx Virtex-6 в области контакта к переходной печатной плате(а - увеличение ×2000, б - увеличение ×30000).а)б)в)г)д)е)Рис. 2.2.19. Изображения вертикального сечения топологии кристаллаПЛИС ф. Xilinx Virtex-6 в области контакта к переходной плате(а - изображение сечения, б - распределение алюминия; в - распределениетитана;г - распределениег - распределение кремния).меди;д - распределениекислорода;85Предварительный анализ изображений полученного сечения (рис.2.2.18б)показал,чтотопологиякристалласодержит11слоевметаллических проводников.

Причем верхний слой проводников выполнениз материала отличающегося от материала проводников нижних 10-тислоев (заметно по контрасту каналирования). Переходные (межслойные)контакты выполнены на одном технологическом этапе с вышележащимипроводниками, за исключением нижнего слоя межслойных проводников.Исследование данного сечения методом рентгеноспектральногоанализа (рис.

2.2.19) показало, что верхний слой проводников выполнен изалюминия (рис. 2.2.19б) с подслоем нитрида титана (рис. 2.2.19в), анижележащие проводники выполнены из меди (рис. 2.2.19г).Рис. 2.2.20. Изображение вертикального сечения топологии кристаллаИС ф. Xilinx Virtex-6 в области 7 - 1 слоев проводников.При исследовании сечения в растровый ионный микроскоп (рис.2.2.18б) видно наличие проводящего и диэлектрического ДБС, однако приисследовании вещественного состава, материал данных подслоев неидентифицировался.

Возможно это связано с топологическими нормамиизготовления кристалла данной ПЛИС, которые составляют 65 нм (рис.2.2.20).862.3.Методы на основе использования геля-носителяИсследования методов жидкостного травления медных проводниковИС с использованием геля - носителя выполнялись при помощи системыЖТ Omnietch2 ф.Nisene (рис. 1.4.1).Для удаления медных проводников ИС производитель Nisseneрекомендует следующий процесс:Copper etch recipe:- деионизованная вода-20 мл;- 25% водный раствор аммиака-40 мл;- медицинская перекись водорода (37%)-40 мл.Раствор был заранее приготовлен в стеклянном стакане. Послетщательного перемешивания в течение 10 минут, 60 мл растворапорционно добавляли к 160 граммам геля-носителя (carrier medium 36-6)непрерывно перемешивая и добиваясь максимальной гомогенизации смеси(рис.

2.3.1а). После добавления последней порции раствора смесьпериодическиперемешиваливтечениичаса,дляравномерногораспределения травителя в геле-носителе. Далее смесь загрузили вспециальный резервуар установки (рис. 2.3.1б).Для достижения воспроизводимых рабочих параметров травлениямеди был запущен процесс со следующими параметрами (рис. 2.3.2):скорость протока100;температура термостата25°С;время процесса10 мин;образецотсутствует.87а)б)Рис.

2.3.1. Подготовка установки Omnietch2 к работе (а - добавлениетравящей смеси в гель-носитель; б - загрузка геля с травителем в резервуарOmnietch2).Рис. 2.3.2. Параметры подготовки установки Omnietch2 к работе своспроизводимыми параметрами.Далее были реализованы несколько процессов удаления меди для рядаобразцов.Образец №1Образец №1 представляет из себя кристалл ПЛИС Virtex-4 (см.п. 2.2.1) с удаленными пассивацией, верхним слоем алюминиевыхпроводников (М11), межслойным (М11vМ10) и частично внутрислойным(dМ10) диэлектриками.

Процедура подготовки кристалла к исследованиямприведена в п. 2.2.1.88Подготовленный образец №1 был помещен в емкость для образцовустановки Omnietch2 (рис. 2.3.3). Далее был запущен процесс (процесс№1) со следующими параметрами:скорость протока100;температура термостата25°С;время процесса35 сек;образецобразец №1 (кристалл ПЛИС Virtex-4).образеца)б)Рис. 2.3.3. Емкость для образцов установки Omnietch2 (а - без образца;б - с образцом).На рисунках 2.3.4 и 2.3.5 приведены изображения поверхности исечений образца №1 после проведенного процесса №1.

Сечения былиизготовлены при помощи РЭИМ. Перед изготовлением сечения, на областьреза был нанесен слой платины, который заполнил все неровноститопологии. Анализ изображений приведенных на рисунках 2.3.4, 2.3.5показывает, что в результате проведенного процесса №1 слой медныхпроводников М10 удален полностью и равномерно, также полностьюудален слой медных межслойных проводников М10vМ9.89а)б)в)Рис. 2.3.4. Изображения фрагментов поверхности образца №1 послетравления меди в процессе №1 (а, б - РЭМ изображения, наклон образца0°; в - РИМ изображение, наклон образца 52°).а)б)Рис. 2.3.5.

Изображения сечений поверхности образца №1 послетравления меди в процессе №1 (а - РИМ изображения 1-го сечения, наклонобразца 52°; б - РЭМ изображения 2-го сечения, наклон образца 52°).Вместе с тем, необходимо заметить, что в некоторых областях, черезмежслойные контакты, также был удален слой медных проводников М9(рис.

2.3.5а). По этой причине, при удалении слоя медных проводниковобразца №2, было принято решение уменьшить время процесса до 15секунд.90Образец №2Образец №2 представляет из себя кристалл ПЛИС Virtex-4 (см.п. 2.2.1) с удаленными пассивацией, верхним слоем алюминиевыхпроводников (М11), межслойным (М11vМ10) и частично внутрислойным(dМ10) диэлектриками. Процедура подготовки кристалла к исследованиямприведена в п. 2.2.1.Подготовленный образец №2 был помещен в емкость для образцовустановки Omnietch2 (рис. 2.3.3). Далее был запущен процесс (процесс№2) со следующими параметрами:скорость протока100;температура термостата25°С;время процесса15 сек;образецобразец №2 (кристалл ПЛИС Virtex-4).На рисунках 2.3.6 и 2.3.7 приведены изображения поверхности исечений образца №2 после проведенного процесса №2.а)б)Рис. 2.3.6.

РЭМ изображения фрагментов поверхности образца №2после травления меди в процессе №2 (а - наклон образца 0°; б - наклонобразца 52°).91а)б)в)г)Рис. 2.3.7. Изображения сечения поверхности образца №2 послетравления меди в процессе №2 (а - РЭМ изображение, наклон образца 52°;б, в, г - РИМ изображения, наклон образца 52°).Анализданныхизображенийпоказывает,чтослоймедныхпроводников М10 удален не полностью, также на скорость травления медиоказывает влияние ориентация кристаллической решетки зерен. Такимобразом, т.к. при времени процесса 35 секунд (образец №1) повреждалсянижележащий слой проводников, а при времени процесса 15 секунд(образец №2) имело место не полное удаление слоя проводников, приудалении меди образца №3, было принято решение установить времяпроцесса 25 секунд.92Образец №3Подготовленный, аналогично образцу №1, образец №3 (кристаллПЛИС Virtex-4) был помещен в емкость для образцов установки Omnietch2(рис.

2.3.3). Далее был запущен процесс (процесс №3) со следующимипараметрами:скорость протока100;температура термостата25°С;время процесса25 сек;образецобразец №3 (кристалл ПЛИС Virtex-4).На рисунках 2.3.8 и 2.3.9 приведены изображения поверхности исечений образца №3 после проведенного процесса №3. Анализ данныхизображений показывает, что слой медных проводников М10 по прежнемуудален не полностью. Можно предположить, что раствор для травлениямалостабилен(концентрацияперекисибыстроменяется,из-заееразложения), и со временем быстро снижается скорость травления.а)б)Рис. 2.3.8.