1. Многоуровневая система металлизированных соединений

Число топологических элементов и их площадь в слоях металлизации в несколько раз превышает эти показатели для любого слоя полупроводниковой структуры БИС. Токи наиболее высокой плотности в структуре протекают в металлизированных соединениях. В то же время нарушение элементов металлизации является основной причиной отказов микросхем.

С увеличением степени интеграции микросхем возрастает и сложность металлизированной разводки межсоединений. В схемах с регулярной структурой, например, БИС памяти, площадь межсоединений растет пропорционально числу логических элементов. В логических БИС с нерегулярной структурой - быстрее вследствие увеличения числа связей дальнего порядка. Если соединения в регулярной схеме можно выполнить, используя два уровня металлизации, то при достижении определенной сложности логических БИС появляется необходимость реализации трех и более уровней металлизированной разводки.

При разработке системы металлизации необходимо учитывать три группы требований: технологические, электрические и надежность. Технологические требования включают:

• использование для контактных площадок металлов, к которым возможно присоединение внешних выводов термокомпрессией или ультразвуковой сваркой;

• применение пластичных материалов или близких по коэффициенту термического расширения к кремнию, т.к. в противном случае возможно образование трещин вследствие термомеханических напряжений;

• селективность травления металлов и межслойных диэлектриков.

Наиболее важные электрические требования предполагают, что:

• падение напряжения в шинах питания должно быть намного меньше логического перепада;

• сопротивление контактов к полупроводниковым областям не должно влиять на параметры приборов;

• емкость металлизированных соединений не должна ограничивать быстродействие БИС.

Требования надежности таковы:

• необходимо уменьшать рельеф структуры для предотвращения «теневого» эффекта при нанесении и травлении слоев;

• металлизированные соединения должны быть устойчивы к электромиграции;

• система подключения питания должна обеспечивать минимальную площадь разводки питающих напряжений;

• пассивация схемы должна предотвращать коррозию металла.

Технологические требования ограничивают выбор металла для реализации межсоединений. Практически используются только Al и сплавы на его основе, а также многослойные системы на основе золота. Для коротких связей первого уровня применяются силицид платины, однако его нельзя считать удовлетворяющим всем требованиям к разводке из-за высокого слоевого сопротивления (2-5 Ом/). Низкое контактное сопротивление к кремнию (менее 10^-6 Ом.см²) может быть обеспечено только при использовании в первом уровне разводки металлов, образующих силициды или имеющих энергию связи с кислородом большую, чем кремний. В этом случае контактирующий металл растворяет тонкий слой окиси кремния в контактных окнах и имеет хорошую адгезию к изолирующему окислу. Контактные слои выполняются из алюминия, титана и силицида платины. Силицид платины образуется при взаимодействии платины с кремнием непосредственно на поверхности контактных окон. Непрореагировавшую платину удаляют травлением, т.к. она отслаивается от поверхности окисла. В наиболее распространенных системах металлизации на основе сплавов алюминия введение кремния предотвращает его растворение в контактных окнах, а меди - повышает устойчивость разводки к электромиграции.

Наибольшую сложность имеет первый уровень разводки, на котором обеспечивается подключение активных и пассивных полупроводниковых приборов к электрической схеме БИС. Использование верхних уровней металлизации требует наличия переходных контактных площадок в первом уровне. Увеличение плотности разводки и уменьшение рельефа структуры с металлизацией непосредственно связаны с толщиной проводящего слоя. В большинстве современных БИС толщина металла первого уровня не превышает 0,5 мкм. Для исключения негативного влияния рельефа структуры толщина слоя металла верхнего уровня больше, чем нижележащих, Естественно, шаг дорожек разводки в верхнем уровне больше, а сопротивление слоя меньше. Обычно в первом уровне реализуются связи ближнего порядка. Длинные связи и связи с большими токами переносятся в верхние уровни.

Уменьшение размеров переходных площадок наиболее важно для первого уровня. В качестве межуровневых диэлектриков используются двуокись кремния и нитрид кремния. Применение различных диэлектриков под разными уровнями разводки дает возможность значительно сократить площадь перехода. Например, слой нитрида кремния под первым металлом и слой двуокиси кремния в качестве межуровневого изолятора позволяет вскрывать переходные окна в окисле шире площадок нижнего металла. Селективное (относительно нитрида кремния) травление межуровневого изолятора дает возможность реализовать межуровневые переходы вообще без специальных расширенных площадок металла.

Уменьшение рельефа структуры имеет важное значение для надежности системы металлизации. Уступы рельефа создают «теневой» эффект при напылении металла и травлении диэлектрикоив в плазме. На уступах металл тоньше, сопротивление слоя выше, и сильнее идет электромиграция и разрывы проводников образуются также в первую очередь. Для первого уровня разводки играет роль только рельеф полупроводниковой структуры, для второго уровня на рельеф полупроводника накладывается рельеф первого слоя металла. Толщина межуровневого диэлектрика определяет высоту уступов в переходных окнах. Если не принимать специальных мер, то для третьего уровня разводки нижлежащие слои образуют уступы суммарной высоты в местах пересечения проводников, и дефектность разводки сильно возрастает. Использование поликремния и силицида платины для разводки в структуре позволяет практически исключить рельеф проводников первого уровня (см. рис. 1).

Рис. 1 Основные этапы формирования транзистора и поликремниевого резистора в структуре:

а) нитридная маска на пленке поликремния; б) легирование пассивной области базы и окисление поликремния; в) удаление маски, легирование резистора, активной базы и эмиттера; г) формирование силицида платины на поликремнии.

Используются также способы планаризации поверхности, аналогичные тем, которые применяются при формировании изоляции.

В системе металлизации необходимо обеспечить устойчивость к электромиграции. Способность металла разводки к переносу под действием протекающего тока зависит от температуры, наличия примесей и структуры пленки, поскольку сильноточные цепи БИС обычно выполняются на основе Al и сплавов, то достоверные данные по электромиграции имеются только для этих материалов пленок. Для схем, работающих при температуре до 340 К и имеющих разводку сплавом алюминия с кремнием или медью, допускается предельная плотность тока в шинах питания 2х10⁵ А/см². Проводники из чистого Al можно использовать при плотности тока не более 10 А/см². Увеличение температуры усиливает способность металлов к электромиграции и снижает предельно допустимые плотности токов. Так, для схем военного применения (температура до 393 К) предельная плотность тока проводится не только для плоских участков, но и для пересечений рельефа с учетом изменения сечения проводников на уступах. При толщине проводников I мкм, предельной плотности тока 10 А/см² и токе питания БИС 1 А суммарная ширина шин питания должна составить 2 мм. Увеличение потребляемой мощности и снижение напряжения питания быстродействующих БИС приводят к росту тока потребления. Известны схемы, потребляющие ток 4 А; в ближайшие годы для некоторых сверхбыстродействующих БИС он возрастет до 10 А. В таких схемах только проводники питания должны занимать самостоятельный уровень разводки.

Ток потребления микросхемы определяет число выводов питания и их расположение на кристалле БИС. При периметре сварного соединения на контактной площадке питания 200 мкм эффективно работает на растекание тока не более 100-120 мкм. Если толщина металла 1 мкм и предельная плотность 10⁵ А/см², то такое соединение допускает протекание тока около 150 мА. При токе питания 1 А необходимо предусмотреть 12 сварных соединений для подключения шин питания к внешним выводам БИС. Сокращение числа сварных соединений достигается увеличением толщины слоя металла на площадках, вскрытием переходных окон и наложением друг на друга слоев разводки всех уровней. При числе сварных соединений питания более четырех для каждого из полюсов источника питания площадки размещаются равномерно на периферии кристалла БИС. Объединение однополюсных выводов питания может проводиться либо на монтажной плате, либо в корпусе специальной конструкции.