2. Формирование омических контактов металл - полупроводников,
металл-металл
Одним из основных моментов при формировании металлизации является создание надежного контакта между металлом и полупроводником в области активных и пассивных элементов ИМС. Такие контакты должны отвечать следующим основным требованиям:
контакт должен быть не выпрямляющим, т.е. сопротивление его не должно зависеть от направления протекающего тока;
в контакте должны отсутствовать нелинейные явления, т.е. его сопротивление не должно зависеть от величины протекающего тока;
контакт должен иметь минимальное сопротивление, так же как и сама металлизация;
контакт не должен инжектировать неосновные носители;
теплопроводность контакта должна быть высокой, а коэффициент теплового расширения используемого металла близким к коэффициенту теплового расширения кремния;
контакт должен представлять металлургически стабильную систему с кремнием, а в случае многослойной металлизации и между слоями;
металл контакта должен обеспечивать достаточно хорошую адгезию к кремнию и диэлектрическому покрытию;
металл контакта должен быть термодинамически стабилен по отношению к диэлектрическому покрытию;
металл, используемый в качестве металлизации, должен быть технологичен к процессу фотолитографии;
металл контакта не должен глубоко проникать в кремний, в противном случае невозможно создавать мелколежащие р-n-переходы, необходимые при создании сверхбольших и сверхскоростных ИМС.
Как видно, перечисленные требования часто носят противоречивый характер, например, контакт с кремнием должен быть прочным, но металл не должен проникать в кремний или, например, требование хорошей адгезии к окислу противоречит условию слабого влияния контакта на свойства окисла и т.д. Удовлетворить этим требованиям чрезвычайно сложно, лишь в какой-то мере этим требованиям отвечает алюминий, который в настоящее время является наиболее распространенным материалом для формирования контактов металлизации и межсоединений в кремниевых ИМС.
Для обеспечения низкого контактного сопротивления металл-полупроводник обычно необходимо проводить «вжигание» металлизации, т.е. термообработку при температуре, ниже точки эвтектики алюминий-кремний (400-550°С) и времени 5-30 мин, которую обычно выполняют в инертной среде. Процесс образования омического контакта носит химический характер, и протекает за счет восстановления тонкой пленки естественного окисла, образовавшегося под воздействием атмосферного кислорода на поверхности кремния в контактных окнах.
Скорость проникновения Аl через пленку SiO2 определяется температурой термообработки.
=3,18х1017exp(-2,56/k T) А/мин,
где k - постоянная Больцмана, 1,38х10-23Дж/К, Т - температура термообработки.
После проникновения алюминия через пленку окисла идет растворение кремния в алюминии и его диффузия из области контактного окна. При этом растворение кремния идет настолько интенсивно, что алюминий проникает как на значительное расстояние под защитную пленку окисла края контактного окна, так и происходит образование большой плотности ямок в области самого окна. Следует отметить, что при растворении кремния в алюминии идет замещение атомов кремния атомами алюминия, т.е. в полупроводниковом материале не происходит образование пустот. Многочисленные исследования по растворению кремния в алюминии показали, что образование ямок травления преимущественно происходит вдоль края окна, где количество необходимого для реакции алюминия и SiO2 наибольшее. Большой интерес вызывают исследования по зависимости ямок травления и их плотности от площади окна в SiO2. Так, они показали, что плотность ямок относительно слабо зависит от площади окна, однако размер их резко возрастает с уменьшением площади. При размерах окна 1-3 мкм нередко образуется одна сплошная ямка травления, распространяющаяся под SiO2 на пределы окна. Очевидно, что образование ямок травления должно вызывать отказ с мелкими р-n-переходами вследствие либо вертикального, либо бокового их замыкания. Это обстоятельство подчеркивает важность данной проблемы при создании сверхбольших и сверхскоростных ИМС, т.к. при их изготовлении необходимо использовать мелкие р-n-переходы, а также малые размеры контактных окон, что резко увеличивает вероятность закорачивания р-n-перехода за счет растворения кремния у края окна больше, чем за счет образования ямки травления в центральной области контакта, т.к. растворение кремния протекает быстрее в направлениях, параллельных поверхности (III).
И нтересные результаты были получены при исследовании растворения и рекристаллизации кремния при вжигании омических контактов Al-p-Si. Так, было установлено, что при создании контакта алюминия с кремнием ( <0,02 Ом.см) за счет возникновения преципитатов кремния образуется легированный алюминием рекристаллизованный слой со сравнительно большой величиной контактного сопротивления. В результате активной оказывается лишь центральная часть контакта, что уменьшает его эффективную площадь, а, следовательно, увеличивает контактное сопротивление. Важным моментом, который необходимо учитывать при создании металлизации, является расположение частиц рекристаллизованного кремния вдоль границ зерен алюминия, а также расположение большой части ямок травления вдоль границ зерен алюминия и, в особенности в области тройных точек. Это обстоятельство указывает на то, что перенос кремния в тонкой пленке алюминия идет вдоль границ зерен, а, следовательно, использование крупнозернистого алюминия более предпочтительно, чем мелкозернистого, т.к. при больших размерах зерен и постоянной толщине пленки алюминия занимаемый границами объем (на единицу площади) оказывается меньше, чем в случае мелкозернистой структуры.
Современные ИМС представляют собой сложные структуры, где с целью уменьшения геометрических размеров кристалла часто используется многоуровневая металлизация, различные уровни которой контактируют друг с другом через окна в межслойном диэлектрике. Одним из требований, предъявляемых к первому уровню многоуровневой металлизации, является отсутствие дефектов поверхности, таких как, например, бугорки. Однако использование термообработки для создания контакта металл-полупроводник ведет также к рекристаллизации пленки алюминия, приводящей, с одной стороны, к слиянию зерен и образованию крупнозернистой структуры, с другой стороны, к образованию в одних местах пустот, а в других местах к образованию так называемых «холмиков роста». Наиболее интенсивно процесс рекристаллизации идет при температуре выше 450°С, которая обычно используется при вжигании металлизации, что приводит к образованию «холмиков роста» высотой до 1-2 мкм. Наличие таких выступов на поверхности первого уровня металлизации часто приводит к прокалыванию межслойного диэлектрика и в случае расположения в этом месте второго уровня металлизации к короткому замыканию между двумя слоями металлизации, что приводит к выходу из строя практически готовой ИМС. Тем не менее, термическая обработка напыленных пленок приводит к стабилизации их структуры, а, следовательно, и к стабилизации их физических свойств.
Серьезным недостатком алюминиевой металлизации является электромиграция. Природа явления заключается в переносе массы металла при прохождении тока большой плотности за счет перемещения положительных ионов металла электронным ветром в направлении потока электронов. Это приводит к тому, что у положительного электрода скапливается избыточный алюминий в виде выступов, а у отрицательное образуются пустоты и разрывы пленки. Данное явление существенно зависит от геометрических размеров тонкопленочного проводника, а также от энергии активации самодиффузии, которая определяется структурой алюминия.
Для уменьшения недостатков, связанных с растворением кремния в алюминии, образование «холмиков роста» и электромиграции используют либо легирование алюминия кремнием и медью, либо формирование многослойных систем с использованием в качестве подслоя под алюминием различных металлов, а также силицидов металлов. Однако почти во всех случаях нужный эффект достигается за счет ухудшения каких-либо параметров:
увеличение удельного сопротивления металлизации;
образование неомических контактов;
усложнение технологии;
снижение выхода годных структур, обусловленное увеличением числа технологических процессов.
Другим путем исключения указанных выше недостатков является либо уменьшение температуры вжигания и увеличение его времени, либо уменьшение времени отжига при сохранении температуры вжигания. Этот путь связан с тем, что интенсивность процессов, вызывающих данные недостатки, резко снижается с уменьшением температуры и времени вжигания металлизации, т.к. данные процессы в основном связаны с процессом диффузии кремния и алюминия. Наиболее перспективным направлением можно считать резкое уменьшение времени вжигания, особенно использование для вжигания металлизации мощных импульсных источников света, т.к. понижение температуры вжигания при очень малых размерах контактных окон, которые используются в современных ИМС, может не дать желаемых результатов.
Лекция 14 - 19
Литографические методы в микроэлектронике