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

Личёние переходного сопротивления также приводит К росту сопро­ тивления контакта, причем крутизна этой зависимости тем больше, чем больше сопротивления контактных пленок.

Выделяющаяся мощность [73]. Тепловая мощность, выделяющая­ ся в единице длины какого-либо проводника, как известно, равна

а в (5.12) выражение (5.5), находим величину мощности, выделяю­

120

5.2. Процессы, определяющие переходное сопротивление контакта

При расчете сопротивления контакта в предыдущем параграфе постулировалось присутствие между контакт­ ными пленками некоторого переходного слоя, обладаю­ щего некоторым сопротивлением Rn- Для выяснения при­ роды этого сопротивления и оценки его величины следу­ ет различать три типа технологических приемов изготов­ ления пленочных контактов:

1) когда после нанесения нижней пленки ее поверх­ ность подвергается воздействию обычных атмосферных условий сравнительно долго (102 . . . 104 с), например, если в качестве метода формообразования применяется фотогравировка, или на менее длительный период, в слу­ чае масочного нанесения последовательных слоев в раз­ ных камерах;

2)когда нанесение последовательных слоев осущест­ вляется без нарушения вакуума в установке, но поверх­ ность нижней пленки подвергается воздействию раз­ реженной атмосферы ( Ю - 4 .. . . Ю - 6 мм. рт. ст.) в течение определенного времени (101 . . . 102 с), необходимого, например, для смены рабочего испарителя и (или) ма­ ски и нагрева или остывания подложки до температуры осаждения последующего слоя;

3)когда специфика изготовляемого изделия предпо­ лагает нанесение последовательных слоев одного рисун­ ка и оказывается возможным ввод источника второго материала до выключения первого, например в случае применения испарения электронными пучками.

Окисление. Рассмотрим случаи 1 и 2. Как указывалось в § 1.1, при воздействии на чистую металлическую по­ верхность атмосферы газов монослой молекул этих газов образуется на поверхности в течение I с. при их давле­ нии, равном 10_ в мм рт. ст. При нормальном же давле­ нии поверхность полностью покрывается за значительно более короткий промежуток времени.

Молекулы кислорода, адсорбированные на поверхно­ сти неблагородного металла, связываются с атомами металла в решетку окисла. За довольно короткий про­ межуток времени на металлической поверхности образу­ ется начальный окисный слой толщиной в несколько атомных ячеек, который, в свою очередь, покрывается адсорбированной пленкой газа.

12

Таким образом, в случае изготовления пленочного контакта с нарушением вакуума или при сравнительно длительном перерыве между операциями осаждения в вакууме контактных пленок материал верхней пленки конденсируется не на чистую поверхность нижней плен­ ки, а на поверхность, покрытую слоем окисла и пленкой адсорбированного газа. Последняя может вступить в ре­ акцию с атомами конденсирующегося металла, частично окисляя нижнюю поверхность верхней пленки. Если ма­ териал нижнего слоя обладает меньшим сродством к ки­ слороду, чем конденсирующийся металл, последний мо­

такт представлял собой моно­ литное соединение, т. е. металлический континуум, то его

переходное сопротивление не зависело бы от напряже­ ния, либо возрастало с ростомпоследнего в результате выделения джоулева тепла. Наблюдающееся падение сопротивления с ростом напряжения и температуры ука­ зывает на действие механизмов проводимости через тон-

123

кие диэлектрические слои, т. е. туннелирования и эмис­

натах становятся практически прямыми, что может ука­ зывать на преобладание механизма термоэлектронной эмиссии.

Преобладание шоттковской эмиссии при столь невы­ соких температурах может быть объяснено тем, что тол­ щина диэлектрика (окисла) настолько мала, что потен­ циал сил изображения понижает высоту потенциального барьера в нем почти до уровня Ферми системы.

кривым туннельных систем [71], с той лишь разницей, что

124

они сливаются на начальном участке Это раз­ личие можно объяснить искажением величин у и V, вно­ симым методикой их измерения. Кроме того, анализ пле­ ночного контакта (см. § 5.1) проводился в предположе­ нии независимости у от U, что, очевидно, не соответст­ вует действительности, когда в переходном слое дей­ ствуют квазнметаллические механизмы проводимости.

Описанный экспериментальный результат свидетель­ ствует о том, что контактные пленки разделены тонким окисным слоем даже в том случае, когда пленочный контакт нанесен без нарушения вакуума.

Таким образом, по природе переходной проводимости пленочный контакт нельзя рассматривать ни как моно­ литный, ни как прижимной.

Сплавление. За редкими исключениями, любая метал­ лическая пара, приведенная в соприкосновение при не слишком низкой температуре на достаточно длительное время, обнаруживает перенос атомов каждого из кон­ тактных элементов в решетку другого [81]. В общем слу­ чае процесс диффузии одного элемента А в другой В

ной на расстояние z по нормали от поверхности раз­

В результате диффузии образуется область неупоря­ доченного твердого раствора, в котором концентрация элемента А изменяется от нуля до единицы. При нагреве такой системы в зонах с определенной концентрацией могут образовываться упорядоченные сплавы соответст­ вующего стехиометрического состава — интерметалличе­ ские соединения.

Удельное электрическое сопротивление сплава, осо­ бенно неупорядоченного, всегда превышает удельные

125

сопротивления рА и рв составляющих его элементов в большей части диапазона концентраций. Согласно [82] для переходных металлов, образующих непрерывный ряд твердых растворов, сопротивление сплава р с определя­ ется как

р0 = КСА(1-СА)

при отсутствии интерметаллидов. Здесь К — постоянная, зависящая от удельных сопротивлений компонентов. В случае упорядоченного сплава:

в ячейке; £ — степень дальнего порядка. Зависимости со­ противления от концентрации для случая сплавления переходных и непереходных металлов и т. д. приведены в [82].

Таким образом, сопротивление единицы площади слоя сплава в направлении диффузии в общем случае может быть выражено как

со

гс = j ?(z)dz,

и

где p(z) определяется зависимостями р(С) и C(z). Добавочное сопротивление, обусловленное сплавле­

нием контактных пленок, имеет •место в случае изготов­ ления пленочного контакта по треть­ ему из описанных в начале парагра­ фа методу, в результате диффузии через тонкую окисную пленку или через трещины в сравнительно тол­ стых слоях.

быть легко рассчитано для рассматриваемого случая при допущении определенных упрощающих предположений,

126

например, если удельное сопротивление пленки I I счи­ тать ничтожно малым по сравнению с сопротивлением пленки I , что 'позволит поверхность раздела рассматри­ вать как эквипотенциальную, тогда сопротивление стяги­ вания между поверхностью раздела и ближайшей неде-

метрах емкость гипотетического конденсатора с обклад­ ками, имеющими размеры и конфигурацию рассматри­ ваемых эквипотенциальных поверхностей и окруженного воображаемыми, непроницаемыми для поля стенками, соответствующими остальным поверхностям пленки.

Аналогично можно рассчитать сопротивление стяги­ вания в пленке П.

Так же как и поле конденсатора, сопротивление стятивания в этом случае сосредоточено на небольшом участке в начале поверхности раздела и очень мало чув­ ствительно 'К ее протяженности.

5.3. Конструирование пленочного контакта

Задача конструирования пленочного контакта заклю­ чается в выборе материалов контактных элементов (пле­ нок), определении конфигурации и размеров области перекрытия, а также в составлении требований к техно­ логическому исполнению таким образом, чтобы переход­ ное сопротивление контакта и рассеивающаяся в нем мощность были меньше заданных.

Выбор материала контактной пары должен удовлет­ ворять следующим общим требованиям:

1)оба металла или один из них (если второй выпол­ няет функцию резистора) должны обладать высокой элек­ тропроводностью;

2)металлы должны обладать хорошей адгезией друг

кдругу и к материалу подложки или кристалла;

3)контакт должен быть свободен от выпрямляющих и термоэлектрических эффектов, связанных с наличием между металлами значительных внешней и внутренней контактных разностей потенциалов;

127

ся погонные сопротивления / ' i и г2 выбранных металлов (удельные сопротивления пленок обычно на 20... 100% выше удельных сопротивлений соответствующих массив­ ных материалов); погонная проводимость переходного слоя у, полученная экспериментально для данной тех­

Наиболее простой формой 'Контактной области явля­ ется прямоугольная, для которой выше приводились ос­ новные расчетные соотношения. Длина области перекры­ тия k с минимальным переходным сопротивлением для заданных w, гь г%, у определяется из выражения (5.9), а соответствующее сопротивление контакта RK^s— из выражений (5.8) и (5.10).

Полученное значение сопротивления контакта RK не должно превышать допустимого ЯКДОп. Если это условие не выполняется, возможны три подхода к решению:

1.Использование для контакта другой пары металлов

сменьшими погонными сопротивлениями г4 и г2 или уве­ личение ширины контакта w. Это осложняется, однако, если один из контактных элементов является резисто­ ром, так как уменьшение, его погонного сопротивления или увеличение ширины приводит к росту других раз­ меров и изменению топологии схемы.

2.Применение технологии, обеспечивающей более вы­ сокое значение проводимости переходного слоя, напри­

мер осаждение обеих пленок без нарушения вакуума или непрерывное осаждение двух последовательных сло­ ев с постепенным введением второго металла при посте­ пенном убывании первого.

3. Применение расширяющегося контакта или расши­ рение приконтактных областей пленок.

В табл. 5.1 приведены экспериментально измеренные •переходные сопротивления г п в тонкопленочных контак­ тах, изготовленных термовакуумным и ионоплазменным нанесением из материалов, часто применяемых в техно­ логии интегральных схем [83]. Контакты изготовлялись без нарушения вакуума в камере. В случае изготовления •контактов с нарушением вакуума в установке между операциями нанесения нижнего и верхнего слоев, пере­ ходное сопротивление оказывается в 102 ... 104 раз боль­ ше [75, 76].