книги из ГПНТБ / Смирнов В.И. Теория конструкций контактов в электронной аппаратуре

кализуется соответствующий отрицательный заряд электронов (рис. 4.23,6).

В той части кристалла кремния, которая обладает электронной проводимостью, описанное явление приводит к увеличению в при­ поверхностном слое концентрации основных носителей, а в той ча­ сти, которая обладает дырочной проводимостью — к образованию приповерхностного слоя с проводимостью «-типа. Следствием этого эффекта является расширение площади и емкости р-п перехода и ухудшение работы прибора на высоких частотах.

В случае противоположного показанному на рис. 4.23 распо­ ложения р- я л-областей описанный эффект приводит к резкому снижению пробивного напряжения перехода.

Для предотвращения вредного влияния натриевых загрязнений двуокись кремния покрывают защитным слоем нитрида кремния, непроницаемого для ионов натрия. Нитрил кремния осаждают из газовой фазы при реакции кремниевых и азотных соединений.

Химическая реакция двуокиси кремния с алюминием. Примене­ ние алюминиевой металлизации для интегральных схем, содержа­ щих транзисторы с неглубокой диффузией, приводит при повышен­ ных температурах работы к заметному ухудшению их характеристик,

3Si02 +4Al—^2Al2 03 +3Si.

Эта реакция сильно зависит от температуры осаждения алю­ миния и характера поверхности изоляционного покрытия из двуокиси кремния, поэтому размах ее не может быть предсказан. Известно,

температуре часто приводит к выходу из строя контактных соеди­ нений золото — алюминий. На месте контакта при этом наблюдается появление пурпурной окраски. Это явление получило название «пур­ пурной чумы» [59].

границе с интерметаллидами является примером реакции Киркендалла {о8, 60J, при которой один компонент диффундирует в интерметаллическое соединение быстрее, чем атомы другого диффузанта, посту­ пающие из иптерметаллида, успевают заполнять образовавшиеся ва­ кансии. Б результате последние скапливаются, образуя макроскопические пустоты. Такая реакция протекает у границ интерметаллической зоны как со стороны золота, так и со стороны алюминия. Упорядоченные твердые растворы золота с алюминием действуют подобно барьеру, контролирующему взаимную диффузию

том в этой реакции, а также материалом, обладающим большей способностью к объемной и поверхностной самодиффузий, образо­ вание макроскопических каверн и трещин происходит на его сторо­ не более интенсивно, чем на стороне алюминия, и при соизмеримых размерах контактируемых проводников полный разрыв появляется раньше в золотом контакте [60J. В контакте золотой проволочки с алюминиевой тонкой пленкой размеры последней обычно значи­ тельно меньше. Поэтому на практике чаще всего наблюдается раз­ рыв пленки по кольцу вокруг места сварки (рис. 4.24).

Процесс образования интерметаллических соединений существен­ но зависит от температуры. Пурпурное АиА12 образуется в месте

вают сколько-нибудь заметных следов «пурпурной чумы». Реакция Киркендалла тоже представляет собой, как всякая диффузионная

чок этим процессам, приводящим затем к выходу соединения из строя.

По мнению Зеликсона [59], кремний оказывает каталитическое действие на описанные выше явления.

Исследование явления «пурпурной чумы» в пленочном контакте, проведенное авторами, показало, что скорость протекания процесса существенно зависит от структуры пленок. Причем влияние струк­ туры алюминиевой пленки проявляется более отчетливо. При про­ чих равных условиях контакт выходит из строя тем быстрее, чем

ских соединений в системе золото — алюминий посвящен ряд других работ, например [61—64].

Электромиграция алюминия. Электромиграция — это процесс переноса масс в результате прохождения тока высокой плотности. Механизм явления переноса заключается в обмене импульсами меж­ ду электронами и атомами металла, вследствие чего атомыпере­ мещаются в направлении движения электронов.

Согласно теории [59, 65] расстояние D, пройденное атомом за время /, выражается следующей формулой:

D=Ajt ехр(—AHIRT),

111

щей алюминиевой пленки после длительного прохождения большого тока образуются пустоты и трещины, а впоследствии происходит и полный разрыв. Причиной возникновения пустот является скопление вакансий у иеодиородностен кристаллической решетки. Поэтому пу­ стоты всегда образуются у границ зерен металла. Экспериментально установлено, что разрыв пленки тем вероятнее, чем дисперснее структура [66].

Статистика показывает, что 10% смещенных в прямом направ­ лении биполярных транзисторов обнаруживают разрывы в алюми­ ниевой пленке после 200 ч работы при температуре 150 °С и плотно­ сти тока, равной 109 А/м2 . Вместе с тем опыт [67] показывает, что добавка 4% меди в алюминий увеличивает срок службы алюминие­ вых пленочных проводчиков в 70 раз. Явлению электромиграции в алюминиевых и других тонких пленках посвящено много работ, например [68—71].

Эффекты сильных полей, приводящие к образованию «усов» на проводящих пленках. Из тонких пленок некоторых металлов иногда вырастают нитевидные образования, называемые «усами», которые могут привести к короткому замыканию этих пленок друг с другом. Рост «усов» происходит, по-видимому, благодаря диффузии атомов металлов, стремящихся занять положение, соответствующее мини­ муму его внутренней энергии, т. е. идеальной кристаллической струк­ туре. Кроме того, предполагается, что в качестве зародыша для кристаллизации «уса» на поверхности металла должна возникать винтовая дислокация [1]. Способность к образованию «усов» прояв­ ляют не все металлы, а те из них, которые обладают высоким коэф­ фициентом •самодиффузии, например серебро, что подтверждает диффузионную теорию их возникновения.

Процесс роста нитевидных образований наблюдался ранее в конденсаторах и разрывных контактах. Предполагалось, что нали­ чие на контактной поверхности водяной пленки ввиду сильной ориентационной поляризации последней приводит к извлечению при­

Наблюдалось также образование «усов» под влиянием больших напряженностей электрического поля. Так, поверхность любого ме­ таллического электрода характеризуется наличием неровностей. Если макроскопическая напряженность поля между контактами устанав­ ливается порядка 10s В/м, то на некоторых выступах плотность си­ ловых линий поля может достигать весьма высоких значений. В та­ ких точках поле может вызвать диффузию ионов металла, которые, перемещаясь в направлении поля, кристаллизуются, образуя «ус». Рентгенографическое исследование таких «усов» показало, что они практически свободны от дислокаций, что и объясняет их исклю­ чительные механические качества, близкие к тем, которые дают расчеты, произведенные применительно к идеальным кристаллам.

112

и..

Золото, например, обладает лучшей электропроводностью, лучше сопротивляется коррозионным воздействием, менее подвержено элек­

в последний, сильно легируя его, и образует с ним низкотемпера­ турную эвтектику. Серебро сильно подвержено электромиграции и

кремния. Тугоплавкие металлы, как правило, имеют низкую электро­ проводность, и их контакт с кремнием характеризуется сравнительно большим переходным сопротивлением.

15 последнее время предложено много вариантов многослойных структур, в которых различные слои выполняют различные функции. Общей чертой этих структур является использование золота как проводящего слоя. В качестве подслоя для улучшения адгезии золо­ той пленки к двуокиси кремния напыляют хром, титан или молиб­ ден. Последний обеспечивает с кремнием омический контакт с при­ емлемым переходным сопротивлением. В других же случаях для осуществления такого контакта предпринимаются дополнительные меры. Например, в контактные окна напыляется пленка платины, которая при последующем отжиге образует с кремнием силицид платины, обеспечивающий омический низкоомный контакт.

соединений. Поэтому для нанесения золота на титан напыляется барьерный слой из платины (рис. 4.25). Толщина платиновой барьер­ ной пленки должна быть достаточной для предотвращения контакта золота с титаном.

5. Пленочный контакт

Электрические соединения, образуемые последова­ тельным осаждением двух тонких металлических пленок, играют в интегральной электронике немаловажную роль. Такие контакты образуются, например, между пленоч-

114

ным резистором и соединительной пленкой, между кон­ тактными площадками последовательных слоев много­ слойных печатных схем, между балочными или шарико­ выми выводами (•§ 4.1) и металлизацией полупровод­

контакта являются его сопротивление, равное отноше­ нию мгновенного значения падающего на контакте на­ пряжения к мгновенному значению протекающего через него тока, выделяющаяся на контакте мощность, шумы контакта и адгезия контактирующих пленок. В настоя­ щей главе приводятся основные сведения об этих пара­ метрах.

5.1. Теоретический анализ пленочного контакта

Анализ пленочного контакта, проведенный на упрощенной фи­ зической модели, позволяет определить основные закономерности распределения токов и напря­ жений в контакте, его сопро­ тивление и выделяющуюся на нем мощность в зависимости от сопротивления пленок и пере­ ходного слоя, а также от раз­ меров контакта.

115

Падение напряжения вдоль всей нижней пленки равно

Из приведенных выражений следует, что распределение плот­ ности тока, перетекающего из одной пленки в другую, а также рас­ пределение напряжения вдоль переходного слоя не равномерны. Ха­ рактер этих распределений зависит от величины k=al, называемой характеристикой пленочного контакта. На рис. 5.3 представлена за­ висимость тока, протекающего из одной пленки в другую, от коор­ динаты х [72] в виде семейства кривых

J/W(x/Q.

При малых значениях характеристики контакта (£<0,2), т. е. при высоком удельном сопротивлении переходного слоя, зависимость

диспропорции удельных сопротивлений контактирующих пленок и достаточно высокой проводимости переходного слоя основная часть тока течет по тому или другому краю контактной области. При соизмеримых же значениях удельных сопротивлений пленок (.'i«r2 ) основная часть тока протекает по обоим краям.

117

На рис. 5.4 приведены зависимости напряжения иа переходном слое от координаты х для трех случаев:

а) кривая 1 U/Us = f (x/l) при г, = 0; б) кривая 2 U/Ui = f (x/l) при r2 = 0;

в) кривая 3 U/U, — f (x/l) при г, = гг = г„.

ние переходного слоя велико пэ сравнению с удельными сопротив­ лениями контактирующих пленок. Это, однако, нетипично. Переход­ ное сопротивление обычно быв1ет такого же порядка, что и сопро­ тивления пленок, или же меньше. Поэтому ток еще в начале кон­ такта почти полностью перетекает из пленки с большим сопротив­ лением в пленку с меньшим сототивлением.

Сопротивление контакта. Под сопротивлением контакта пони­ мается сопротивление между течками, в которых втекает и вытекает ток (см. 5.2). Его ие следует смешивать с переходным сопротивле­ нием

Rn = pnfwl=l/yl,

которое представляет собой сопротивление переходного слоя и не зависит от сопротивления пленок.

Сопротивление контакта Rt< равно отношению полного падения

118

Анализ этого выражения показывает, что зависимость сопротивления контакта от его длины имеет минимум при некоторой оптимальной длине зоны /0 , которая определяется следующей формулой:

переменных, которые ча­

119