книги из ГПНТБ / Мазель Е.З. Планарная технология кремниевых приборов

электрода скапливается избыточный алюминий в виде выступов, а у отрицательного — концентрируются вакан­ сии, образуя пустоты и разрывы пленки. С электромигра­ цией связана также повышенная локальная раствори­ мость кремния в алюминии, регистрируемая по возни­ кающим под контактом ямкам травления. Эффект электромиграции может быть значительно уменьшен, если алюминиевую пленку при напылении легировать медью:

zoo 300 WO 500 600 по

Температура, °С

Рис. 7-3. Растворимость в твердой фазе кремния в алюминии.

по данным • работы [Л. 7-6], срок службы при 175 °С и плотности тока 4 -106 а/см2 у приборов с модифициро­ ванными контактами возрастает в 70 раз.

4.Образование хрупких, плохо проводящих фаз с зо­ лотом— явление, известное под названием «пурпурной чумы» [Л. 7-5].

5.Трудности, связанные с пайкой, невозможность электролитического нанесения.

Взвешивая достоинства и недостатки алюминия, мож­ но сказать, что этот материал наиболее пригоден для использования в качестве контактов планарных прибо­ ров, работающих на частотах до 1 Ггц, не слишком мощ­ ных и не рассчитанных на жесткие требования к на­ дежности.

314

•В других случаях выходом является применение для контактов многослойных систем. В таких системах стре­ мятся для создания нижнего слоя (назовем его условно контактным; иногда в литературе употребляется термин «адгезирующий») использовать металлы, основными свойствами которых являются малое проникновение в кремний, низкое переходное сопротивление и способ­ ность к восстановлению окисных пленок. Металл верх­ него проводящего слоя должен иметь высокую электро­ проводность и быть совместимым с металлом контакт­ ного слоя и металлом вывода. Условие совместимости, как будет показано, обычно трудно выполнить. Это вы­ нуждает вводить третий слой — барьерный или раздели­ тельный, который бы предотвращал взаимодействие между металлами.

В табл. 7-2 представлены свойства чистых металлов. Для контактного слоя могут быть использованы молиб­ ден, никель, платина, хром, титан. Цинк, магний и кад­ мий сильно отличаются от кремния коэффициентом ли­ нейного расширения. Применение меди нежелательно из-за ее влияния на электрические свойства кремния.

Наилучшим представляется выбор молибдена, обла­ дающего следующими достоинствами [Л. 7-4]: образует

проводимость; мало вплавляется в кремний; имеет коэф­ фициент линейного расширения, близкий к кремнию; не подвержен электромиграции; не взаимодействует с алю­ минием, золотом, серебром; обладает сравнительно хо­ рошей адгезией к двуокиси кремния; хорошо травится и

Недостатки молибдена проявляются в системе с про­ водящим слоем. Пористость молибденовых пленок при­

[Л. 7-7], а для получения хорошего омического контакта необходимо проводить вжигание напыленных пленок при температурах около 500°С в течение нескольких минут. Образование эвтектики кремний — золото, кроме того,

315

'Г а б л и ц а 7-2*

Т а б л и ц а 7-3

* Толщина пленок 1 000 А, за исключением системы золото—хром, где толщина пленки хрома 2 000 А.

Технологические методы создания металлических пле­ нок весьма разнообразны и достаточно широко освещены в литературе [Л. 7-12—7-13]. Поэтому кратко остановим­ ся на методах, нашедших практическое применение, и некоторых новых методах, представляющих интерес.

Метод испарения в вакууме достаточно прост, хорошо изучен и наиболее широко применяется в настоящее вре­ мя. Недостатками метода являются зависимость качест­ ва пленок от большого числа факторов, среди которых давление в системе, геометрия системы и скорость осаж­ дения, температура подложки и др.; трудности напыле­ ния тугоплавких металлов, таких, как платина, и разла­ гающихся соединений.

Рассмотрим подробнее методику напыления пленок

руясь на подложке, могут создавать пленку, препятст­ вующую растворению кремния в алюминии при вжигании. В местах разрыва такой пленки образуются локальные участки твердого раствора, и после стравли­ вания алюминия хорошо заметны отдельные вытравлен­ ные ямки; качество контакта в этом случае низкое. При хорошем вакууме и отсутствии органических загрязнений кремний после удаления алюминия имеет равномерную грубую структуру; качество контакта хорошее [Л. 7-14].

с открытым испарителем мелкозернистая пленка. Мате­ риал испарителя может переноситься в растущую плен­ ку и резко менять ее свойства. Во избежание этого при­ меняют предварительное испарение с закрытой задвиж­ кой, затем открывают ее и ведут рабочий процесс. Процесс проводят таким образом, чтобы не допускать полного испарения навески. Радикальным методом улуч­ шения качества пленок является замена резистивных испарителей электронно-лучевым нагревом. При мощно-

литографической обработки; в частности, чем выше ско­ рость напыления алюминия, тем быстрее пленка тра­ вится.

Заметное влияние на структуру пленок и качество контакта оказывают температура и свойства подложки. Например, пленка алюминия по мере увеличения тем­ пературы подложки становится все более крупнозерни­

алюминия легче образуются на окисле, чем на кремнии. Особую роль играют ступеньки окисла: на них с большой вероятностью происходит растрескивание напыляемой алюминиевой пленки. Трещины эти малы (их обнаружи­ ли с помощью сканирующего электронного микроскопа при увеличении в 10 000 раз), но со временем они могут вызывать обрыв металлизации. Появление их объясняет­ ся изменением роста центров кристаллизации у ступень­ ки, что приводит к росту пленки только на вершине и дне ступеньки. Если поверхность кремния не свободна от пленок окисла, растет сопротивление контакта. На­ пример, обработка кремния в тлеющем разряде увеличи­ вает контактное сопротивление за счет окисления и пе­ реноса на подложку загрязнений из объема камеры. Химическая очистка в горячей серной или азотной ки­ слоте также увеличивает сопротивление, так как способ­ ствует росту окисной пленки [Л. 7-16].

В тех местах, где находятся остатки окисной пленки,. может идти уже упоминавшаяся термитная реакция 4А1 + 3 S i 0 2 = А 1 2 0 3 + 3 S i . За счет выделения тепла облег­ чается растворение кремния. Образующиеся локальные участки растворения хорошо заметны по ямкам травле­ ния. Глубина таких ямок зависит от ориентации крем­

никновения металла характеристики СВЧ приборов по­ сле вжигания контактов ухудшались.

Удаление окисла особенно важно при напылении молибдена. Можно указать в качестве рекомендуемой

[Л. 7-16] следующую обработку подложек: травление не­ сколько секунд в смеси плавиковой кислоты с безвод­ ным ацетоном (1:10) и затем трехкратная промывка в чистом ацетоне. По сравнению с обработкой в серной пли азотной кислотах этот способ обеспечивает на поря­ док меньшее сопротивление контакта. Напыление молиб­ дена детально рассмотрено в работе [Л. 7-4].

Метод нанесения тонких пленок катодным распыле­ нием |[Л. 7-18] отличается от термического испарения в вакууме тем, что вместо нагрева образца до высокой температуры применяют бомбардировку нонами инерт­ ного газа, чаще всего аргона. По технологии и применяе­ мой аппаратуре метод аналогичен описанному в гл. 2 методу катодного травления. Катод-мишень выполняют из чистого металла, пленку которого надо получить. До­ стоинствами метода являются возможность напыления любого металла, а также широкие пределы регулирова­ ния толщины и качества пленок за счет изменения ка­ тодного тока и давления инертного газа. К недостаткам метода можно отнести более сложную аппаратуру, не­ жели применяемую для вакуумного напыления, и веро­ ятность попадания молекул газа или загрязнений в ра­ стущую пленку. Процесс катодного распыления характеризуют значения выхода атомов металла (на ион аргона), колеблющиеся от 0,5 для кремния до 3,4 для серебра при энергии ионов аргона 600 эв [Л. 7-19].

Химическое и электрохимическое осаждение в пла­ нарной технологии используют в основном для получения на кремнии пленок никеля и золота. Химическое осаж­ дение никеля производят обычно из фосфорсодержащего электролита, поэтому на кремнии /г-типа обеспечивается контактное сопротивление, много меньшее, чем при ва­ куумном напылении. Состав раствора для никелирова­

322

Ыа2 СОз — 50 г/л, или состоящие из равных количеств дицианоаурата калия KAu(CiN)2 и цианистого калия KCN (примерно по 3—6 г/л). При средней плотности тока 0,2—0,3 а/дм2 и температуре 60—70 °С выход по току составляет 60—80%. Скорость осаждения золота из ще­ лочных электролитов мала: 1,5—3,0 мкм/ч.

В кислых электролитах, в состав которых также вхо­ дит дицианоаурат калия [Л. 7-21], получают более хруп­ кие осадки золота, поскольку разряжающийся водород влияет на структуру осадка. Выход по току в кислых электролитах при комнатной температуре 40%; при 70°С он достигает 100%. Скорость роста при повышенной температуре составляет 13—15 мкм/ч, и пленка полу­ чается с меньшими механическими напряжениями, чем при комнатной температуре. Применение кислых элек­ тролитов открывает возможность использования пози­ тивных фоторезистов для защитных масок. Вообще локальное золочение является сложной задачей, по­ скольку фоторезисты с трудом выдерживают воздей­ ствие нагретых электролитов.

созданный осаждением менее благородного металла, на котором легче осуществить фотолитографическую мас­ кировку. Например, через окна в слое фоторезиста осаж­ дают никель, вжигают его, снова проводят никелирова­ ние и затем осаждают химически золото.

Метод осаждения металлов посредством пиролиза паров металлсодержащих соединений сравнительно мало

нических (гидриды, нитриды и т. д.); соединений органи­ ческих кислот (оксалаты); металлосоединений, содержа­ щих органические группы (металл — алкилы, металл — арилы и др.). Обзор способов осаждения можно найти в работе [Л. 7-22].