6.9. Металлизация

В полупроводниковых ИС процесс металлизации призван обеспечить омические контакты со слоями полупроводника, а также рисунок межсоединений и контактных площадок.

Основным материалом для металлизации служит алюминий. Он оказался оптимальным в силу следующих положительных качеств: малое удельное сопротивление ( Ом∙см); хорошая адгезия к окислу (металлизация осуществляется по окислу); возможность сварных контактов с алюминиевой к золотой проволокой (при осуществлении внешних выводов); отсутствие коррозии; низкая стоимость и др.

При создании металлической разводки сначала на всю поверхность ИС напыляют сплошную пленку алюминия толщиной около 1 мкм (рис. 6.18). Эта пленка контактирует: со слоями кремния в специально сделанных (с помощью предыдущей фотолитографии) окнах в окисле (1, 2 и 3 на рис. 6.18).

Рис. 6.18. Получение металлической разводки методом фотолитографии

Основная же часть алюминиевой пленки лежит на поверхности окисла. Покрывая пленку алюминия фоторезистом, экспонируя его через соответствующий фотошаблон и проявляя, получают фоторезистную маску, которая защищает будущие полоски металлизации и контактные площадки (КП) от травителя. После вытравливания алюминия с незащищенных участков к удаления фоторезиста остается запланированная металлическая разводка (на рис. 6.18 ее рельеф, прилегающий к контактам 1, 2, 8, заштрихован).

Ширина полосок в обычных ИС составляет 10–15 мкм, а в больших ИС до 5 мкм и менее. Погонное сопротивление полоски шириной 10 мкм и толщиной 1 мкм составляет около 2 Ом/мм. Для контактных площадок, к которым в дальнейшем присоединяются внешние выводы, типичны размеры мкм. Присоединение внешних выводов непосредственно к полоскам металлизации невозможно из-за их малой ширины.

Разумеется, рисунок межсоединений предполагает отсутствие пересечение, т.е. коротких замыканий. Однако в ИС с высокой степенью интеграции не удается спроектировать металлическую разводку так, чтобы избежать пересечений. В этих случаях используется многослойная или многоуровневая разводка, т. е. несколько «этажей» металлизации, разделенных изолирующими слоями. Необходимые соединения между разными уровнями осуществляются через специальные окна в изолирующих слоях (рис. 6.19). Изоляцию между слоями обычно обеспечивают путем напыления диэлектрика по завершении очередной металлической разводки. В качестве диэлектрика чаще всего используют моноокись кремния . Количество «этажей» при многоуровневой металлизации для современных БИС лежит в пределах от двух до четырех.

Проблема омических контактов при использовании алюминия состоит в следующем. Если пленку алюминия просто напылить на поверхность кремния, то образуются барьеры Шоттки (см. 3.3), причем барьер на границе с –слоем является не омическим, а выпрямляющим. Чтобы избежать барьеров Шоттки, алюминий вжигают в кремний при температуре около 600°C, близкой к температуре эвтектики сплава . При такой температуре на границе алюминиевой пленки с кремнием образуется слой, в котором растворен практически весь прилегающий алюминий. После застывания сплав представляет собой кремний, легированный алюминием; концентрация последнего составляет около см^-3.

Поскольку алюминий является акцептором по отношению к кремнию, возникает новая проблема: предотвращение образования –переходов в –слоях. Действительно, если концентрация доноров в –слое меньше см^-3, то атомы алюминия создадут в нем припоповерхностный –слой. Чтобы этого избежать, область –слоя вблизи контакта специально легируют, превращая ее в –слой с концентрацией доноров 10²⁰ см^-3, и более (см. рис. 6.18). Тогда концентрация алюминия оказывается недостаточной для образования –слоя, и –переход не образуется.

Рис. 6.19. Многослойная металлическая разводка

Если n–слой с самого начала сильно легирован (например, эмиттерный слой транзистора), то дополнительного легирования не требуется. Не возникает проблем и при контакте алюминия с –слоями, так как растворение, в них алюминия приводит к образованию приповерхностных –слоев, что способствует повышению качества омического контакта.