5.2. Создание омических контактов к ис

Основное назначение контактов в ИС - это подведение электрического тока к той или иной ее области.

Для пленарных ИМС используют как локальные контакты (рис.5.2,а), так и распространенные (рис.5.2,б), выходящие на поверхность диэлектрического покрытия - двуокиси кремния, нитрида кремния и т.д. Распространенные контакты являются большим достоинством планарных ИМС, так как они позволяют отделить место присоединения вывода от активной области прибора и тем самым резко уменьшить как размеры последней, так и вредные воздействия на нее.

Основные качества контактов - обеспечение заданных электрических параметров и механическая прочность - должны сохраняться в течение всего срока службы ИМС при изменении в широком диапазоне условий эксплуатации схем. Для нормальной работы полупроводникового прибора или ИМС контакты к ним должны удовлетворять следующим требованиям:

- быть невыпрямляющими, т.е. сопротивление контакта не должно

меняться при изменении направления протекающего тока, и

неинжектирующими;

- обладать линейными зависимостями сопротивления от величины

протекающего тока;

- иметь минимальное сопротивление, в том числе в направлении,

параллельном поверхности, особенно если вывод присоединен к незначительной по площади части контакта;

- обладать высокой теплопроводностью и иметь коэффициент теплового расширения, близкий к аналогичным коэффициентам кремния и материала вывода или корпуса;

Рис.5.2. Контакты к планарным приборам: а - локальные; б – распространенные

- представлять металлургически стабильную систему с кремнием и материалом вывода, в случае многослойных контактов это условие относится к взаимодействию слоев между собой;

- металл контакта должен обеспечивать достаточно хорошую адгезию к кремнию, а в случае распространенных контактов - и к диэлектрическому покрытию;

- не вступать в химическое взаимодействие с диэлектрическим покрытием;

- обеспечивать проведение фотолитографии;

- глубина диффузии металла контакта в кремний должна быть минимальной.

Для создания неинжектирующего контакта с малым сопротивлением необходимо, чтобы электрохимические потенциалы металла φ _мет и кремния φ _Si удовлетворяли условиям: φ _мет < φ _Si для Si n-типа; и φ _мет > φ _Si для Si p - типа. Однако такие контакты, как правило, обладают нелинейными вольт-амперными характеристиками, их сопротивление зависит от величин приложенного напряжения и протекающего тока.

Этого можно избежать путем дополнительного легирования полупроводника под контактом, например, в кремнии n-типа диффузионным способом создается тонкая область n+-типа. Между n-- и n+-областями возникает контактная разность потенциалов, пропорциональная разности концентраций ионизированных доноров. Изменить эту разность потенциалов прилагаемым извне напряжением очень трудно: при любой полярности напряжения будет изменяться только поток основных носителей. За счет этого обеспечивается линейность характеристики контакта. Линейный неинжектирующий контакт принято характеризовать контактным или переходным сопротивлением ρ _k . Величина этого сопротивления в основном зависит от вида металла, типа и сопротивления полупроводника

Для полупроводника с малой концентрацией примеси можно использовать уравнение:

Где постоянная Ричардсона (е - заряд электрона; - k постоянная Больцмана; m* - эффективная масса носителей заряда; h - постоянная Планка); В ϕ - высота барьера металл - полупроводник. Поскольку в этом случае преобладает термоэлектронная эмиссия через барьер, малое сопротивление контакта требует малой высоты барьера. При концентрации примеси, меньшей 1017 см^-3, ρ_k не зависит от уровня легирования. При высокой концентрации примеси ширина барьера уменьшается вследствие сильного изгиба зон полупроводника, и основную роль при протекании тока в контакте играет туннелирование сквозь барьер. В этом случае контактное сопротивление можно представить в виде

где S ε - диэлектрическая постоянная кремния; ND - концентрация примеси в полупроводнике. С ростом концентрации выше 1019 см^-3 ρ_k быстро уменьшается. В табл.5.1 представлены значения φ_В для наиболее употребимых материалов контактов.

Таблица 5.1.

Для кремния n-типа можно использовать также эмпирическое соотношение

где А = 3,3 и b = 1,3 справедливо для многих металлов.

При дополнительном легировании, когда под контактом создается тонкий слой с поверхностным сопротивлением ρ _n , общее сопротивление контакта R можно подсчитать по формуле

Где а – ширина контакта; b – его длина;

Следует отметить, что сопротивление контакта в большей степени зависит от технологических факторов, таких как подготовка поверхности, наличие остатков окисла и др.

Требования к металлургическим и другим физико-химическим свойствам контактов (например, к адгезии) удовлетворить намного сложнее. В то же время именно от этих свойств зависит надежность контактной системы. Причина затруднений кроется в очевидной противоречивости требований (прочность контакта, но неглубокое проникновение в кремний; хорошая адгезия к окислу, но слабое влияние на его свойства; инертность металла, но способность восстанавливать пленки на кремнии). Удовлетворять все требования, применяя любой металл, практически невозможно.

Оценивая достоинства и недостатки алюминия, можно сказать, что этот материал наиболее пригоден для использования в качестве контактов к планарным приборам, работающих на частотах до 1ГГц, не слишком мощных и не рассчитанных на жесткие требования к надежности.

В других случаях выходом является применение для контактов многослойных систем. В таких системах стремятся для создания нижнего (контактного) слоя использовать металлы, основными свойствами которых являются малое проникновение в кремний, низкое переходное сопротивление и способность восстановления окисных пленок. Металл верхнего проводящего слоя должен иметь высокую электропроводность и быть совместимым с металлами контактного слоя и вывода. Условия совместимости обычно трудно выполнить. Это вынуждает вводить третий слой – барьерный или разделительный, который бы предотвращал взаимодействие между металлами.

Для контактного слоя могут быть использованы молибден, никель, платина, хром, титан. Цинк, магний и кадмий сильно отличаются от кремния коэффициентом линейного расширения. Применение меди не всегда возможно из-за ее влияния на электрические свойства кремния.

Наилучшим из указанных металлов является молибден, который образует достаточно хороший контакт с низкоомным кремнием n- и p-типов; имеет высокую объемную проводимость; мало вплавляется в кремний; коэффициенты линейного расширения его и кремния близки; не подвержен электромиграции; не взаимодействует с алюминием, золотом, серебром; обладает сравнительно хорошей адгезией к двуокиси кремния; хорошо травится и обеспечивает фотолитографическую обработку; напыляется в вакууме, может наносится из металлоорганических соединений. К недостаткам молибдена относятся: пористость молибденовых пленок, способствующая образованию эвтектики кремния с проводящим материалом, что нарушает контактную систему; значительное различие в коэффициентах расширения молибдена и алюминия; химическое взаимодействие (например с натрием).

Помимо молибдена, для контактного слоя используется платина или силицид платины Pt₅Si₂, чье контактное сопротивление мало, и контакт отличается надежностью. Однако металл довольно глубоко проникает в кремний, платина трудно травится при фотолитографии, не восстанавливает окисла и имеет к нему низкую адгезию.

Можно использовать хром, но он, как и алюминий, активно восстанавливает двуокись кремния, а пленки его обычно напряжены и пористы. Хром и алюминий применяются в качестве контактного подслоя. Предварительно нанесенные тонкие пленки этих металлов раскисляют поверхность кремния. Это позволяет снизить требования к подготовке поверхности и заметно улучшает электрические свойства контактов.

Для проводящего слоя могут быть выбраны серебро, медь, алюминий, золото. Первые два металла легко окисляются и образуют твердые растворы с золотом и алюминием, поэтому их используют редко.

Прекрасным разделительным слоем является платина: достаточно пленки толщиной 45нм, чтобы предотвратить взаимодействие между слоями, например, титана и алюминия. Без разделительного слоя выбрать устойчивую биметталическую систему трудно.

Одной из причин нестабильности многослойных систем является взаимная диффузия атомов металлов. Диффузией объясняются реакции образования твердых растворов, например в системе хром – золото (при этом наблюдается рост сопротивления на порядок), или интерметаллических соединений, как в большинстве систем с алюминием.

Нестабильность может быть также из-за рекристаллизации (например, в системе алюминий - хром), окисления или явления упорядочения решетки в пределах ближнего порядка, характерного для систем с хромом и титаном. Особенно важно проявление взаимодействия в практических условиях нанесения и вжигания слоев, а также при эксплуатации прибора.