7.Проводящая разводка ис на основе меди.

В ИС шириной линии <0,25 мкм сопротивление проводящей разводки на основе Al начинает заметно ограничивать быстродействие ИС. Необходимо использовать проводящие материалы с более низким чем у Al удельным электросопротивлением, таким материалом является Cu удельное сопротив.=1,7 мкОм/см в объемном виде и 1,9 мкОм/см в пленочном.Cu гораздо более стойка к эффекту электромиграции. Эффект электромиграции определяется коэф-том самодиффузии материалов который значительно меньше чем у Al.Возможно также диф-я по границам зерен, которая для меди может быть довольно заметная для уменьшения диффузии по границам зерен в Cu перспективным является ее легирование Кадмием или Кальцием. Эти примеси лишь незначительно увеличивают удельное электросопротивление сплава диффундирует к краницам зерен и блокирует диффузию по ним.

Однако использование меди в качестве проводящ. разводки сопряжено со значительными проблемами. Это связанно с тем, что Cu-одна из самых вредных примесей в кремниевой электронике. Она оказывает заметное влияние на св-ва Si уже при концентрации 10¹² см^-3. Обладает очень высоким коэф-том диф-зии в Si, что приводит к быстрому ухудшению св-в в Si. Cu может принимать три валентных состояния и соотв-но создавать в з.з. Si три примесных глубоких уровня.

2 акцепторных и 1 донорный с энергией ионизации 0,24 эВ; 0,37 эВ и 0,73 эВ.

Глубокие уровни в п/п явл. ловушками для носителей заряда. Их присутствие приводит к уменьшению концентрации носителей заряда их подвижности и времени жизни. Чаще всего это крайне нежелательно. Использование меди в качестве проводящей разводки затруднено в следствии невозможности использования плазмо-хим. травления при операции фотолитографии. Т.к. отсутствуют летучие соединения Cu с гологенами и явл. серьезным препятствием. Cu окисляется в воздушной среде при Т=200 ⁰С. Поэтому необходимо использовать низкотемпературные процессы и формировать защитные слои для Cu.

Применение хим. осаждений из газовой фазы с использованием Ме огранич. соед. настоящее время для Cu не применятся из-за высокой температуры.

Основным методом осаждения Cu на данный момент может считаться электохим-ое осаждение из растворов CuSO₄.

Анализ всех существующих проблем показывает, что для формирования медной разводки необходимо разработать спец. технологии.

В наст. время разраб-ые технологии формирования медной разводки ИС заключается в следующем:

1.Нанесение диэлектрика и формирование в нем рисунка проводящей разводки в виде канавки.

2.Формирование барьерного слоя для предотвращения диффузии меди в соседние слои.

Наилучшими барьерным св-ми обладает Ta и TaN.

Слой должен быть достаточно тонким чтобы избежать заметного повышения сопротивления разводки, но в тоже время должен быть непрерывным, чтобы исключить загрязнение Si медью.

3.Осаждение тонкого затравочного слоя меди методами физич. распыления.

Формирование такого слоя позволяет в дальнейшем использовать электролитическое осаждение толстого слоя меди, поскольку для этого метода необходим непрерывный проводящий слой.

4.Осаждение толстого слоя меди с помощью электролитического осаждения.

5.Хим-мех-кая шлифовка в слое Cu и барьерного слоя до диэлектрика.

6.Осаждение диэлектрического слоя.

№8. Выпрямляющие контакты металл-п/п

Применение диодов на р-n переходах в быстродействующих ИС оказывается недостаточно эффективным из-за сравнительно большого времени их переключения и большой занимаемой площади. Во многих случаях предпочтение отдается диодам Шоттки. Диод Шоттки - это вы­прямляющий контакт металл - полупроводник. Такие приборы найти ши­рокое применение в качестве ограничительных элементов, препятствую­щих насыщению тока транзистора, и дискретных элементов логических и запоминающих матриц. Наиболее важным параметром диодов Шоттки при их использовании в схемах является падение напряжения на диоде при некотором определенном уровне прямого тока. Требуемое падение напряжения достигается изменением высоты барьера диода. Для этого подбирают тот или иной металл.

Основной недостаток диодов Шоттки заключается в том, что их электрические характеристики весьма чувствительны к состоянию границы раздела металл - полупроводник. Загрязнения, оксидные слои вызы­вают существенные изменения свойств диодов.

Для образования диодов Шоттки используют большой набор ме­таллов (Ni, Тi,W, Мо,Pt, Рd) и их силицидов. Алюминий также может служить для формирования диода Шоттки (высота барьера 0,7 эВ), но вос­производимость его параметров низкая. Наибольшей высотой барьера обладает силицид платины (0,84 эВ). Диоды с гораздо меньшими высо­тами барьера получают при использовании Ti (0,53 эВ) и W (0,59 эВ).

При использовании Аl в качестве основной разводки возникает про­блема стабилизации контакта металлизации к другим металлам и сили­цидам, так как Аl образует интерметаллические соединения. Так, при на­греве уже до -300 "С начинается взаимодействие Аl с РtSi и образуется интерметаллическое соединение РtАl2, в результате чего изменяются ха­рактеристики диода Шоттки. Для исключения этого вводятся диффузион­ные барьеры между Аl и диодом Шоттки. Чаще всего используется сплав W (90 %)-Ti (10 %). Титан вводится для улучшения адгезии барьерного слоя, так как чистый W обладает низкими адгезионными свойствами.

№9. Барьерные слои, конденсаторы, резисторы, контактные площадки ИС

Из чистых химически стойких металлов (Та, Rе) изготавливают металлопленочные резисторы. Использование в качестве пленочных ре­зисторов слоев из Сг, W, Мо позволяет получать сопротивление до 500 -600 Ω/□, но при этом такие резисторы обладают более высоким темпера­турным коэффициентом сопротивления, чем резисторы на основе Та и Re. Широко используются резистивные сплавы никеля и хрома (называемые нихромом), содержащие 80 % Ni и 20 % Сr. Резисторы на основе нихрома обладают высокими значениями электросопротивления, стабильностью свойств и совместимостью с планарной технологией.

Металлические слои используются для формирования обкладок конденсаторов. В качестве обкладок обычно используют Аl или Та. В пер­вом случае диэлектриком служит А1₂О₃, во втором - Та₂О₅.

Контактные площадки интегральной схемы - это металлизирован­ные участки на кристалле, служащие для присоединения внешних выво­дов и контроля электрических параметров. Их изготавливают обычно из А1 или Аи. Существенным преимуществом Аи является его коррозионная стойкость.

Для выполнения разводки в корпусе может применяться проволока из Аl или Аи диаметром 25 - 50 мкм.

При соединении проволокой из Аl может произойти ее разрушение непосредственно в месте контакта из-за пониженной механической прочности. Соединение золотой проволокой выполняется с меньшими за­труднениями благодаря ее высокой пластичности, однако при этом могут формироваться интерметаллические соединения (так называемая "пурпурная чума" – АuАl₂), ослабляющие контакт. Для предотвращения образования интерметаплических соединений следует сводить к мини­муму время, в течение которого Аu и Аl находятся в контакте при высокой температуре

№10. Применение проводящих материалов на основе оксидов.

Подавляющее большинство чистых оксидов металлов в нормальных условиях являются хорошими диэлектриками, однако при неполном окис­лении проводимость оксидов резко повышается. Такие материалы можно использовать в качестве контактных и резистивных слоев.

Наибольший практический интерес представляет диоксид олова SnО2. Удельное сопротивление пленок SnО2: зависит от степени наруше­ния стехиометрического состава и может составлять 10^-5 Ω*см Кроме то­го, тонкие слои диоксида олова обладают высокой прозрачностью в ви­димой и инфракрасной областях спектра. Сочетание высокой оптической прозрачности и повышенной электрической проводимости пленок SnO2 обусловливает их применение в различных устройствах: в качестве про­водящих покрытий в жидкокристаллических индикаторах, передающих телевизионных трубках, солнечных батареях и нагревательных элемен­тах, предотвращающих обледенение и т.д. Кроме диоксида олова, анало­гичное применение имеют пленки оксида индия In2O3 и их сплавы In_хSn_yO_z

№11. Классификация полупроводниковых материалов

Полупроводники представляют собой очень многочисленный класс материалов. Самым существенным признаком полупроводника является электропроводность, меньшая, чем у проводников, и большая, чем у ди­электриков. Удельное электросопротивление полупроводников изменяет­ся а пределах 10^-2 -10⁹ Ω*cм.

Полупроводниковыми свойствами могут обладать как неорга­нические, так и органические вещества. Основу электроники составляют неорганические полупроводники. Неорганические полупроводники делят­ся на твердые и жидкие. Твердые - на кристаллические, поликристал­лические и аморфные. Кристаллические в свою очередь делятся на эле­ментарные, химические соединения и твердые растворы. К элементар­ным относятся Si и Gе. К химическим соединениям - соединения типа A³B⁵, A²B⁶, A⁴B⁴, A⁴B⁶

Полупроводники являются основой активных приборов, способных усиливать мощность или преобразовывать один в другой различные виды энергии в малом объеме твердого тела без существенных потерь. Это обусловило широкое применение полупроводников в микроэлектронике и оптоэлектронике.

Примеси в полупроводниках

Различают примесные и собственные (т.е. беспримесные) полупро­водники. В собственных полупроводниках переход электронов в зону проводимости осуществляется только из валентной зоны, поскольку в за­прещенной зоне отсутствуют разрешенные уровни, вносимые примесными атомами. Носителями заряда в таком полупроводнике являются электроны в зоне проводимости и дырки в валентной зоне. Общее ко­личество носителей в обеих зонах совпадает.

Понятие о чистоте материала относительно. В каждом веществе обязательно присутствуют малые количества многих примесей. Опреде­ление этих примесей зависит от уровня методов химического анализа.

Оценка чистоты вещества осуществляется двумя способами: по хи­мическому составу и по физическим свойствам. Первый способ является прямым, а второй - косвенным. При физическом способе о суммарном со­держании примесей судят по величине электросопротивления, подвиж­ности носителей тока, диффузионной длине. Примеси в чистом кремнии не должны превышать уровня 10^-7 ат.%. Большинство лабораторных методов не позволяет определить содержание примеси на уровне ниже 10^-7 ат.%, поэтому значение уровня легирования получают, исходя из из­мерений удельного сопротивления тестовых слитков.

Существует большое количество методов глубокой очистки ве­щества. Как правило, для достижения необходимого предела очистки ис­пользуются несколько стадий очистки разными методами.

Очистив полупроводниковый материал, далее его начинают снова "загрязнять", так как основным способом придания полупроводниковым материалам необходимых свойств является введение в них тех или иных примесей. Преднамеренное введение таких примесей называют легиро­ванием, соответствующие примеси - легирующими, а полупроводник - примесным.

№12. Классификация легирующих примесей. Назначение лег-их примесей.

Легирующие примеси делят на электрически активные и неак­тивные. Характер электрической активности примеси в свою очередь за­висит от соотношения валентностей примеси и полупроводника. Исходя из этого, легирующие примеси делятся на:

1) неизовалентные, т.е. примеси, валентность которых отличается от валентности замещаемых ими атомов основного вещества. Они вносят разрешенные уровни в запрещенную зону основного полупроводника;

2) изовалентные, т.е. такие, валентность которых совпадает с ва­лентностью замещаемых ими атомов полупроводника. В состоянии за­мещения они не создают разрешенных уровней.

В тех полупроводниковых материалах, в которых; основным типом химической связи является ковалентная связь, неизовалентные примеси растворяются в небольших количествах. Предельная растворимость в атом случае составляет 10¹⁷-10²⁰ ат/см³ и редко 10²¹ ат/см³ В примесных полупроводниках электроны в зону проводимости и дырки в валентную зону поставляются активными примесями. После вве­дения в полупроводник электрически активных донорных или акцептор­ных примесей в его запрещенной зоне возникают уровни у дна зоны про­водимости (вносят доноры) или у потолка валентной зоны (вносят акцеп­торы).

Такие мелкие уровни в кремнии создают элементы III и V групп пе­риодической системы, число валентных электронов которых отличается

от валентности кремния на +1 (для доноров) и -1 (для акцепторов). Иони­зация таких примесей происходит при очень низких температурах, поэто­му они определяют в основном электропроводимость полупроводников.

Примеси I, II, VI, VII групп периодической системы имеют большую энергию ионизации и их энергетические уровни расположены глубоко в запрещенной зоне.

Легирование полупроводников осуществляют для достижения сле­дующих целей: изменения положения уровня Ферми; создания разрешен­ных уровней в запрещенной зоне с целью изменения концентрации и типа носителей заряда; создания центров излучательной и беэызлучательной рекомбинации; изменения подвижности, длины свободного пробега носи­телей зарядов; изменения ширимы запрещенной зоны; изменения пре­дельной растворимости другой примеси; изменения межатомных рас­стояний с целью уменьшения макронапряжений в гетероэпитаксиальных композициях, на границах р-п переходов; изменения коэффициента тер­мического линейного расширения (КТЛР) с той же целью; создания внут­ренних геттеров в подложках для собственных и примесных точечных дефектов; изменения теплопроводности; изменения механических свойств (упрочнения); улучшения адгезии между слоями разнородных веществ.

№13. Поведение легирующих примесей даже в элементарных полупро­водниках не всегда бывает однозначным, так как определяется большим числом факторов: природой атомов примеси; позицией, занимаемой ато­мами примеси; степенью ионизации примеси; отклонением состава от стехиометрического; взаимодействием этой примеси с дефектами и дру­гими примесями и т.д. Знание этих факторов необходимо для правильно­го выбора легирующей примеси, ее концентрации, способа введения.

Кроме легирующих имеются случайные или фоновые примеси, непреднамеренно вводимые в полупроводниковые материалы в процессе их производства и обработки. Фоновые примеси, как правило, ухудшают свойства материала и за­трудняют управление ими. Поэтому необходимы установление природы неконтролируемых примесей, источников их попадания в основной мате­риал, разработка технологии, предотвращающей это попадание.

В абсолютном большинстве случаев легирующая примесь обеспечивает создание необходимых свойств в полупроводниковом ма­териале, только будучи растворенной в нем в атомарном (ионизированном) состоянии или в виде комплексов. Легирование в ко­личествах, превышающих предел растворимости и вызывающих образо­вание дополнительных фаз, как правило, отрицательно влияет на основ­ные свойства полупроводников.

№14. Применение кремния. Кремний является базовым материалом при изготовлении интегральных схем. Несмотря на интенсивное развитие интегральной микроэлектроники, в общем объеме выпуска полупроводни­ковых изделий значительную долю составляют кремниевые дискретные приборы. Из него изготавливают выпрямительные, импульсные, СВЧ-диоды, низкочастотные и высокочастотные, мощные и маломощные би­полярные транзисторы, полевые транзисторы, приборы с зарядовой связью. Из кремния изготавливают большинство стабилитронов и тиристоров.

Кремний широко применяется для производства фоточувствитель­ных приборов: фотодиодов и фототранзисторов. Спектр фоточувстви­тельности кремниевых фотодетекторов хорошо согласуется со спектром излучения многих полупроводниковых источников света.

Кроме того, Si используется для изготовления солнечных батарей, детекторов радиоактивного излучения, датчиков Холла и тенэодатчиков.

№15. Свойства кремния

По распространенности в земной коре кремний занимает второе место после кислорода. В свободном состоянии в природе он не встречается. Наиболее распространенным соединением этого элемента является диоксид кремния в основном в виде кварца. В элементарном виде кремний был получен еще в 1811 г., однако как материал полупро­водниковой электроники он стал широко применяться только во второй половине XX века после разработки эффективных методов его очистки.

Элементы IV группы Периодической системы, в которой находится Si, образуют чисто ковалентные связи с низким координационным числом, равным 4

(в ллотнейшей упаковке оно равно 12). Особенностями строения кремния (сильная ковалентная связь и рыхлая структура) объ­ясняются многие его физико-химические свойства: низкая концентрация свободных носителей заряда и высокая предельная рабочая температу­ра, что обусловлено оптимальным значением ширины запрещенной зоны;

малая плотность и низкий КТЛР; большой диапазон реально достижимых удельных электросопротивлений; высокая удельная теплопроводность; высокая растворимость примесей без существенного искажения кристал­лической решетки

В настоящее время монокристаллический кремний – этот самый совершенный кристаллический материал созданный человеком

Ширина запре­щенной зоны при 300 К, эВ = 1,12 эВ

Собственная концентрация носителей заря­да при 300 К = 1,45*10¹⁰ см^-3

Диэлектрическая проницаемость=12

Тип кристал­лической решетки - алмаз

В видимой области спектра Si сильно поглощает свет, в ИК области практически прозрачен.

В химическом отношении кристаллический кремний при комнатной температуре является довольно инертным веществом. Он не растворим в воде, не реагирует со многими кислотами. Хорошо растворим лишь в смеси азотной и плавиковой кислот и в кипящих щелочах. Устойчив на воздухе до температуры 900 °С. Выше этой температуры начинает интенсивно окисляться с образованием SiO2. Несмотря на это, на поверхности кремния всегда имеется тонкий слой (~50 А) так называемого естествен­ного оксида. . Кремний обладает сравнительно высокой температурой плавления и в расплавленном состоянии имеет высокую химическую ак­тивность, поэтому возникают большие трудности с подбором тигельного материала при выращивании монокристаллов.