БТИИС_вопросы_к_экзамену

Локальное окисление кремния (LOCOS): тип изопланарной технологии. Для окисления используются маски из нитрида кремния.

Изоляция мелкими канавками (STI): описана выше. Канавки заполняются диоксидом кремния или поликремнием. РИТ позволяет получать U-образные канавки. Такой тип изоляции используется, например, в Intel Celeron и Pentium II (250 нм) – она и пришла на смену LOCOS.

КНИ: LOCOS, изоляция мелкими канавками (STI) и меза-изоляция.

21

20. Полная диэлектрическая изоляция элементов. Процесс получения исходных пластин и создание активных компонентов.

Технология кремний на сапфире (КНС)

Современные технологии получения КНД-пластин.

SIMOX – Silicon Implanted by Oxigen

22

21. Металлизация сверхбольших интегральных схем. Развитие системы металлизации интегральных схем. Металлизация, с. 11-33 Методы форми-

рования металлических пленок: электронно-лучевое испарение, метод ионного распыления, катодное распыление, магнетронное распыление.

Контактная система металлизации – это омические и выпрямляющий контакты к кремнию (в том числе с учетом его типа электропроводности).

Исторически первая система металлизации – однослойная металлизация на основе алюминия. Ее плюсы: хорошая адгезия к диэлектрикам, образует низкоомные невыпрямляющие контакты с n+- и p+-Si , мало растворяется в кремнии. Минусы: «травит» кремний при термообработке (прокол перехода), сильно термо- и электромигрирует. Сам Al плохо растворяется в кремнии, но Si растворяется с образованием эвтектики вплоть до 1,65%.

Вторая система: многослойная металлизация на основе алюминия. Причина появления – усложнение самих схем, необходимость устранения проблем алюминиевой металлизации путем внедрения дополнительных слоев. Характеризуется наличием вспомогательных технологических слоев: КС, ДБС (нитрид-A4’-B6’, A4’-B14’, карбиды), ПС (коммутирующая разводка, межсоединения), СМУД, ВТС (раскисляющий – РС, активные по кислороду металлы, Ti, Zr, Hf, Ta, Mo, для очистки поверхности полупроводника от кислорода и других примесей; адгезионный – АС, оксид кремния, нитрид, фосфор-силикатное стекло, полиимид, металлы с высоким сродством к кислороду, Ti, W, Cr; антиотражающий – АОС, для лучшего совмещения рисунка ФШ с топрисунком на подложке; стоп-слой – для остановки сухого травления; смачивающий слой – способствует беспустотному заполнению проводящим материалом канавок и контактных окон-колодцев).

o Двухуровневая система с КС в виде силицида кремния и алюминиевой разводкой – оказалась недостаточно термически стабильной

o Добавка ДБС между ПС на основе алюминия (с добавками Si) и КС.

Всубмикроне металлизация переходит к колодцам, так как необходимо увеличение степени интеграции (так формируется вертикальный проводник). Колодцы заполняют не алюминием, а вольфрамом.

23

Недостатки (ближе к 130 нм): при таких размерах элементов электромиграция алюминия слишком высока; сильно возрастает паразитная RC-задержка сигналов из-за увеличения удельного сопротивления материалов.

Многослойная многоуровневая система металлизации с медными межсоединениями. Плюсы меди: меньше удельное, большая термостабильность, существенно меньшая электромиграция. Минусы: медь – примесь для Si, быстро в ней диффундирует, образует глубокие уровни в кремнии.

Первый слой металлизации все равно изготавливается из вольфрама – для препятствия попадания меди в полупроводник. ! Медный проводник обязательно должен быть окружен ДБС. На верхнюю часть медных столбиков наносится диэлектрический ДБС, который не закорачивает всю систему и не добавляет (значительно) паразитных RC-емкостей.

24

Методы нанесения пленок:

Электронно-лучевое испарение – вещество нагревается мощным электронным пучком, скорость осаждения высокая, но низкий энергетический КПД (1…5%), т.к. большая часть энергии расходуется на нагрев тигля, на рентгеновское и УФ излучение, на образование вторичных электронов (~25%)

Метод ионного распыления: реализуется в триодных источниках, может быть реализован в системах с пониженным давлением аргона (10-2-10-1 Па), что увеличивает чистоту процесса. Два электрода – те же, что и при катодном распылении, а третий – термоэмиссионный катод, который увеличивает концентрацию электронов (вольфрамовая нить).

Катодное распыление: распыление катода при бомбардировке его поверхности ионизированными атомами разряженного газа. Между катодом и анодом подается ~1…5 кВ, образуется тлеющий разряд, ионы атмосферы реактора бомбардируют электрод, мишень распыляется. Процесс низкотемпературный, возможно напыление на большой площади. Недостатки

25

– разрешение электродов, возможно низкокачественное покрытие при слишком больших энергиях частиц, относительно низкая скорость напыления.

Магнетронное распыление: катодное распыление мишени в плазме магнетронного разряда (диодного разряда в скрещенных полях). Плюсы – управление свойствами пленки посредством выбора рабочих параметров. Физика – аномальный тлеющий разряд (ионы плазмы выбивают из катода электроны и ионы, ионный ток на порядок выше электронного. Наличие поперечного МП заставляет электрон отклоняться по закону Лоренца – электрон по циклоиде дрейфует вдоль поверхности, находясь в магнитной ловушке. В процессе столкновения с другими частицами электрон переходит на новую траекторию, выше предыдущей, до тех пор, пока ЭМП не ослабнет за счет удаления от поверхности катода и экранирования плазмой. Магнитная ловушка обеспечивает более высокую плотность плазмы, ионного тока на катоде и скорость распыления.)

22. Классификация элементов системы металлизации интегральных схем. Однослойная металлизация на основе алюминия.

Можно выделить шесть основных элементов многоуровневой металлизации СБИС:

контактная система металлизации;

проводниковые межсоединения;

слои межуровневого диэлектрика;

межуровневые контакты;

слой пассивации;

контактные площадки.

Контактная система металлизации представляет собой омические и выпрямляющие кон-

такты к кремнию. Проводниковые межсоединения — это проводники многоуровневой системы металлизации. Межуровневый диэлектрик — материал, электрически разделяющий проводниковые соединения различных уровней. Межуровневые контакты — это локальные контакты между проводниками соседних уровней, выполненные в слоях межуровневого диэлектрика. Слой пассивации представляет собой диэлектрический слой, защищающий проводники верхнего уровня межсоединений. Контактные площадки — расположенные по периферии кристалла участки верхнего уровня разводки, обеспечивающие электрическую связь металлической трассировки с внешними соединениями.

Однослойная металлизация на основе алюминия и ее проблемы

Экспериментально установлено, что возникновение проколов p–n-переходов связано с указанными вакансионными пустотами, образующимися как результат неоднородного растворения кремния в алюминии. Эти пустоты заполняются алюминием с растворенным в нем кремнием, и могут привести к короткому замыканию p–n-переходов. Установлено, что глубина проникновения алюминия вглубь кремния, оцениваемая по глубине пустот в локальных местах области контакта, практически не изменяется в диапазоне 300–500 °С и составляет 40–90 нм. В диапазоне температур 500– 577 °С происходит резкий рост глубины проникнове-

ния до 1,25–1,45 мкм.

26

Схема растворения кремния алюминиевой пленкой: заполнение твердым раствором кремния в алюминии пустот, где растворился кремний, в результате чего происходит прокол p–n-пе- рехода.

Однослойная металлизация на основе алюминия и ее проблемы

Первой причиной является то, что термообработка необходима для формирования собственно самого контакта к полупроводнику.

Термообработка в процессе или после нанесения металла имеет целью растворить приповерхностный загрязненный слой кремния в контактном окне, что на практике всегда обеспечивает улучшение характеристик контакта.

Один из них - это использование методов быстрого термического отжига, при котором температура оказывается достаточно высокой, чтобы образовалась жидкая фаза, но продолжительность — мала, чтобы произошло интенсивное растворение кремния в алюминии и возникли проплавления.

Недостатком этого пути, и это — другая причина, почему нельзя избежать термообработки, является то, что термообработка, в результате которой вероятно возникновение проплавлений, также требуется на последующих операциях технологического процесса, уже не связанных с формированием металлизации.

Другой путь решения проблемы взаимодействия между алюминием и кремнием - это использование в качестве материала межсоединений алюминия, легированного кремнием до концентраций, в пределах существования области твердого раствора.

Этот способ позволяет несколько снизить активность взаимодействия между алюминием и кремнием, однако не устраняет само взаимодействие.

Основные требования:

удельное контактное сопротивление контакта к p+- и n+-типам кремния;

удельное сопротивление межсоединений и величина задержки сигнала RC-це-

пью;

склонность к электромиграции;

термическая стабильность.

При наличии одного из самых низких удельных сопротивлений недостатками однослойной алюминиевой металлизации являются достаточно высокая склонность к электромиграции; сильно различающиеся значения контактного сопротивления к р+- и n+- типам кремния (40 и 400 мкОм×см2 соответственно), что обусловлено дополнительным подлегированием р+-областей и компенсацией легирующей примеси в n+-областях, поскольку алюминий является акцепторной примесью в кремнии; и низкая термическая стабильность.

27

23. Многослойная система металлизации на основе алюминия. Классификация слоев металлизации. Принцип создания диффузионно-барьерных слоев. Процесс деградации тонких слоев. Критерии выбора материала диффузионно-барьерного слоя. (См. 21 билет)

28

29

30