27. Проводящие материалы

Особенности тонкопленочных металлов

Электросопротивление чистых металлов всегда ниже, чем электро­сопротивление металлов с примесями и сплавов, и повышается с уве­личением температуры. Согласно правилу Маттиссена удельное сопро­тивление металла равно сумме сопротивления, обусловленного рассея­нием электронов на тепловых колебаниях узлов кристаллической решет­ки, и остаточного сопротивления, вызываемого рассеянием электронов на статических дефектах структуры

ρ= ρ_т +ρ_ост

где р_т - удельное сопротивление, обусловленное рассеянием электронов на тепловых колебаниях узлов кристаллической решетки; р_ост - оста­точное сопротивление.

Наиболее существенный вклад в остаточное сопротивление вносит рассеяние на примесях, которые всегда присутствуют в реальном про­воднике либо в виде загрязнений, либо в виде легирующего элемента. Помимо примесей некоторый вклад, в остаточное сопротивление вносят собственные дефекты структуры - вакансии, атомы внедрения, дислока­ции, границы зерен.

В микроэлектронике наиболее часто применяются не объемные проводники, а пленки на их основе. Такие пленки используются в качестве межэлементных соединений с низким сопротивлением, контакт­ных площадок, обкладок конденсаторов, выпрямляющих и омических кон­тактов.

Электрические свойства тонких пленок металлов и сплавов могут значительно отличаться от свойств объемных образцов тех же материалов. Одной из причин такого различия является разнообразие структур­ных характеристик тонких пленок.

Зависимость удельного сопротивления тонкой проводящей пленки ρ_пл от толщины d_пл

Структура тонких пленок на разных стадиях осаждения существенно изменяется. При приложении электрического поля происходит переход электронов через узкие диэлектрические зазоры между соседними островками за счет термоэлектронной эмиссии и туннелирования. При увеличении ко­личества осажденного металла зазор между островками уменьшается, проводимость пленок растет. При образовании сплошной пленки ее удельное сопротивление приближается к удельному сопротивлению объ­емного материала ρ_об но остается больше него из-за большой концент­рации дефектов.

Для сравнительной оценки проводящих свойств тонких пленок используют удельное поверхностное сопротивление (или сопротивление на безразмерный квадрат). Удельное поверхностное сопротивление численно равно сопротивлению участка пленки, длина которого равна его ширине

R□=ρ/d где ρ - удельное электросопротивление; d - толщина пленки.

Подбором толщины пленки можно изменить R□ независимо от удельного сопротивления. Кроме того, для определения удельного по­верхностного сопротивления не требуется измерения толщины пленки. Так как удельное поверхностное сопротивление не зависит от величины квадрата, сопротивление тонкой пленки рассчитывается по формуле

R= R□l_o/d_o где lо - длина резистора; dо - ширина резистора.

28. Проводящая разводка ис на основе Al

В интегральных схемах для формирования электрической разводки наибо­лее часто используется алюминий. Алюминий имеет малое удельное со­противление (2,8 мкΩ*см), обладает хорошей адгезией к SiO2, легко на­пыляется, дает возможность осуществить контакт с алюминиевой и золо­той проволокой, имеет низкую стоимость.

Однако при использовании А1 в качестве металлизации возникают следующие проблемы:

1) Al проникает через переход с малой глубиной залегания, что при­водит к возникновению утечек тока через переход и проколу перехода;

2) при высоких плотностях тока происходит разрыв элементов алю­миниевой разводки в результате электромиграции;

3) в многослойной алюминиевой разводке образуются выступы Al, что ухудшает изоляцию между слоями и может даже привести к их зако-

Проникновение Al вчерез переход развивается след. образом.

После формирования слоя Аl и фотоли­тографии проводят операцию вжигания при температуре 400 - 500 "С. Та­кая операция необходима, так как на поверхности Si всегда есть тонкий слой естественного оксида. Алюминий начинает взаимодействовать с оксидом кремния уже при 300 °С и граница контакта смещается в глубь Si. Происходит растворение Si в А1, а после охлаждения - рекристаллизация. Алюминии свою очередь Проникает в подложку, что может привести к проколу перехода. Для устранения этого эффекта используется предва­рительное введение в Аl добавок Si в пределах 1 -1,5 %. Другой метод устранения эффекта прокола заключается в форми­ровании тонкого подслоя поликристаллического кремния перед нанесе­нием АЦ8») слоя, что задерживает развитие прокола и способствует про­длению срока службы контакта. Однако в этом случае повышается кон­тактное сопротивление.

Явление разрыва элементов алюминиевой разводки, возникающее при высоких плотностях тока и повышенной температуре после продол­жительной работы, обусловлено эффектом электромиграции. Это один из основных факторов, снижающих надежность интегральных схем. Элек­тромиграция представляет собой массоперенос проводящего материала. Он происходит путем передачи импульса от электронов, движущихся под влиянием электрического поля, положительным ионам металла.

Сопротивление электромиграции проводящих пленок Аl может быть увеличено несколькими способами. Во-первых, прибегают к формиро­ванию алюминиевого слоя с большими размерами зерен, например, на­пылением на нагретую подложку. Во-вторых, легируют алюминий медью до 4%.

Ухудшение изоляции между слоями многослойной алюминиевой разводки, связанное с образованием выступов А1, происходит по сле­дующей причине. Выступы Аl образуются в результате многократных термообработок и охлаждений из-за рассогласования температурных ко­эффициентов линейного расширения с примыкающими слоями и релак­сации напряжений в пленках Аl. В результате образующиеся шипы могут достигать 5 - 7 мкм и прокалывать межслойный диэлектрик. В качестве контрмеры применяются сплавы Аl(Сu) и Аl с увеличенным размером зерен.