3.5 Силициды как перспективные материалы контактов

В последнее время для создания контактов к кремнию широко используют силициды различных переходных, в первую очередь тугоплавких, металлов. Выпрямляющие контакты на основе силицидов обладают рядом существенных преимуществ: обеспечивается лучшее сопряжение материалов в данной двухслойной структуре, из-за заглубления границы раздела в объем полупроводника снижается влияние состояния поверхности кремния на параметры ДШ, в результате обеспечивается необходимая стабильность и воспроизводимость параметров ДШ. В табл.2.1 приведены значения высоты барьеров для различных силицидов.

При сравнительном анализе свойств силицидов различных металлов, как правило, используют следующие критерии:

- малое удельное сопротивление;

- низкую температуру образования;

- малое количество кремния, поглощаемое при образовании единицы толщины слоя силицида;

- наличие травителя для металла, селективного по отношению к силициду, Si и SiO₂.

В табл.1 даны характеристики некоторых силицидов, обычно используемых в производстве ИС.

Таблица 1

Характеристики силицидов переходных металлов

Силицид	Температура образования, С	Селективный травитель	Удельное сопротивление, мкОмсм	Толщина слоя Si, рас-ходуемого на 1 нм металла, нм
TiSi2	650	NH4OH/H2O2	12 - 15	2,27
CoSi2	600	HCl/H2O2	22 - 28	3,64
MoSi2	600	NH4OH -H2O2	100	2,56
WSi2	850	K3Fe(CN)6/ KOH	120	2,59
PtSi	300	Aqua regia	28 - 35	1,32
Pd2Si	400	KI/I2	30 - 35	0,68

Силициды можно сформировать одним из следующих методов:

1) нанесением металла на кремний или поликремний путем испарения, распыления или электролитического осаждения с дальнейшей термообработкой;

2) совместным осаждением металла и кремния, распыляемых из двух независимых источников в желаемом соотношении на Si, поли-Si или SiО₂;

3) осаждением на кремний, поликремний или SiO₂силицида, распыляемого из мишени, полученной горячим прессованием;

4) химическим осаждением из газовой фазы (Chemical Vapour Deposition) силицида при атмосферном или пониженном давлении.

Из перечисленных методов осаждение силицида, распыляемого из мишени, не получило широкого распространения из-за отсутствия беспримесных мишеней, которые могли бы использоваться для получения чистых пленок, а также невозможности управления соотношением кремний - металл в наносимой пленке, которое определяется соотношением кремний - металл в мишени.

При нанесении большинства переходных металлов и их силицидов по методу CVD возникают трудности, связанные с отсутствием материалов, которые могут использоваться в качестве источников металлов, а также с тем, что для нанесения металлов требуются высокие температуры.

Преимущества совместного осаждения металла и кремния заключаются в возможности регулирования соотношения между металлом и кремнием при нанесении, возможности формирования слоев силицидов на любых подложках, образовании слоев с более гладкой, чем в случае твердофазного взаимодействия, поверхностью. Это позволяет применять данный метод для формирования силицидных межсоединений. Однако его использование при создании контактных систем ограничено, поскольку, как правило, для образования силицида из пленки, полученной методом совместного осаждения, требуются повышенные температуры. Кроме того, полученные слои силицида характеризуются высоким удельным сопротивлением.

В большинстве случаев для создания контактов к кремнию на основе силицидов широко используется метод твердофазного взаимодействия. Во-первых, обеспечивается получение стабильных слоев силицидов с оптимальной стехиометрией и, следовательно, минимальным для данного материала сопротивлением. Во-вторых, для проведения отжига требуется гораздо меньшая температура, чем при прочих методах. В-третьих, и это имеет важное значение, предоставляется возможность селективного по отношению к силициду удаления непрореагировавшего после термообработки металла с поверхности подложек, т.е. создания самосовмещенных контактов. Кроме того, во время термообработки металл (что особенно характерно, например, для Ti) взаимодействует с тонким слоеместественного окисла на поверхности кремния, растворяя его, что обеспечивает равномерное протекание реакции по всей границе раздела металл - кремний. В результате достигаются, с одной стороны, однородная граница раздела силицида с кремнием, с другой - приемлемые электрофизические характеристики выпрямляющих контактов.

6. Особенности создания силицидных контактов Шотки в системах металлизации с алюминиевой разводкой

Одна из основных проблем при создании теплоустойчивых контактов к кремнию связана с тем, что в большинстве случаев в качестве проводниковых межсоединений в системах металлизации ИС используют алюминий или его сплавы. При этом возникаетопасностьпроникновенияAl в Si из-за высоких коэффициентов диффузии Al в поликристаллических слоях силицидов. Дело в том, что для обеспечения стабильности электрофизических параметров контактов необходимо создание конструктивно-однородных контактов. Диффузия же алюминия через контактный слой к поверхности кремния, имеющая место при термообработке контактов, приводит к образованию неоднородных контактов. В этом случае значение высоты потенциального барьера связано с соотношением площадей фаз, образующих выпрямляющий контакт с кремнием.Классическимпримеромобразованияконструктивно-неоднородногоконтакта является изменение высоты барьера при термообработке контакта Al-Pt/n-Si. Высота барьера, равная вначале 0,85 эВ, в процессе спекания при температурах (35 - 450)С уменьшается до значения 0,72 эВ, характерного дляконтактов на основе PtAl₂.Такие же изменения происходят и при других температурах, меняется только масштаб времени.

Подобное изменение высоты барьера можно объяснить следующим образом. Начальная высота барьера соответствует контакту PtSi/n-Si. При нагревании Al вступает в реакцию с PtSi, образуя PtAl₂ и Si. При этом высота барьера сохраняет свое значение до тех пор, пока фронт реакции не достигнет подложки и PtAl₂не придет в соприкосновение с Si, в результате чего высота барьера уменьшается до 0,7 эВ. С момента, когда фронт реакции с образованием PtAl₂достигнет поверхности Si, выпрямляющий контакт можно представить как два параллельно соединенных диода Шотки, один из которых имеет большую площадь и высокий барьер (q_{B PtSi}~ 0,85 эВ), а другой - малую площадь и низкий барьер (q_BPtAl2 ~ 0,72 эВ). На рис.5 приведены эквивалентная схема неоднородного выпрямляющего контакта Al-PtSi/n-Si, подвергнутого тепловой обработке, представляющая параллельное соединение двух диодов с различной высотойбарьера и сопротивлений, обусловленных наличием эпитаксиальногослоя, а также прямые ветви ВАХ с различным током насыщенияI_S . Кривая1соответствует случаю, когда вся поверхность контакта закрыта слоем PtSi, а кривая2 - слоем PtAl₂. Кривая3характеризует отмеченный выше промежуточный случай параллельного соединения диодов, реализующийся при достижении фронта реакции с образованием PtAl₂поверхности кремния. При малых токах падение напряжения на последовательном сопротивлении диода с малой площадью и низким барьером несущественно (кривые2и3совпадают). При больших токах падение напряжения на последовательном сопротивлении возрастает (кривая3совпадает с кривой1). В области промежуточных значений тока происходит плавный переход от одного режима к другому, и кривая3представляет собой полную ВАХ.

Рис.5. Эквивалентная схема неоднородного контакта Шотки Al-PtSi/n-Si (а) и его ВАХ (б)

Таким образом, неоднородные выпрямляющие контакты характеризуются нестабильным значением высоты барьера, поэтому в большинстве случаев стремятся избежать их образования.

Эффективным конструктивным решением данной проблемы является введение в структуру контакта дополнительного слоя - диффузионного барьера, препятствующего взаимной диффузии Al и Si. Выбор оптимального материала слоя диффузионного барьера для конкретной контактной системы обусловлен как режимами используемой тепловой обработки, так и технологической совместимостью барьерного слоя С точки зрения диффузионного барьера наилучшие результаты получены для пленок тугоплавких металлов и их соединений - нитридов, карбидов. В этом смысле выделяют титан и его соединения. В табл.2. приведены данные сравнительного анализа тепловой устойчивости различных систем металлизации.

Из таблицы видно, что самая высокая тепловая устойчивость достигается при использовании TiN в качестве слоя диффузионного барьера. Однако проблема, связанная с химическим взаимодействием Al с TiN, заставляет вводить в конструкцию контактов дополнительные слои проводящих материалов, обладающих повышенной химической инертностью к Al. Наиболее часто в качестве материала дополнительного слоя, вводимого между слоями Al и TiN, используютTi.

Несмотря на то, что введение слоя диффузионного барьера и специальных слоев проводящих материалов усложняет как конструкцию, так и технологию изготовления контактной металлизации, оно в настоящее время широко используется в СБИС, особенно в случаях, когда требуется повышенная термостабильность всей системы металлизации

Таблица 2.