Данные сравнительного анализа тепловой устойчивости различных систем металлизации

Система металлизации	Тмин взаимодействия Al с металлом, С	Продукт реакции	Диффузионный процесс, протекающий при термообработке	Тмин про-текания диффузионного процесса, С
Al-Ti/Si	~400	TiAl3	Диффузия Al и Si через Ti	~400
Al-W-Ti/Si	~500	WAl3	Диффузия Al и Si через W-Ti	~500
Al-Ti (W)/Si	~500	–	Диффузия Al и Si через Ti (W)	~500
Al-TiSi2/Si	~550	Ti7Al5Si12	Диффузия Al и Si через TiSi2	~400
Al-TiN-TiSi2/Si	~550	AlxTiyNz	Диффузия Al и Si через TiN, TiSi2	~600

.

6. Омические контакты. Переходное сопротивление контактов и методы его определения

Омическим называют контакт металл - полупроводник, падение напряжения на котором пренебрежимо мало по сравнению с общим напряжением на образце и не должно приводить к существенному изменению характеристик прибора. Иными словами, омическим считают контакт, оказывающий минимальное сопротивление пропусканию тока любой полярности. Как правило, это контакт с симметричной линейной ВАХ.

Количественными характеристиками омических контактов (ОК) являются переходное сопротивление R_к и удельное переходное сопротивление_к, определяемые в соответствии с формулами

R_к = [Ом];

_к = R_к S = [Омсм²],

где I- ток, протекающий через контакт;J - плотность тока, протекающего через контакт;U- напряжение, приложенное к контакту;S- площадь контакта.

Для измерения переходного сопротивления и определения удельного переходного сопротивления омических контактов был разработан целый ряд методов, отличающихся как принципом измерения параметров, так и вариантами тестовых структур и использованием различных уточняющих аналитических выражений.

Один из наиболее распространенных методов, позволяющих сравнительно точно определить переходное сопротивление, заключается в следующем. В полупроводнике формируют диффузионный резистор, маскируют его диэлектриком и вскрывают в диэлектрике локальные n-контакты с идентичными конструктивными параметрами, расположенные вдоль диффузионного резистора. Между двумя наиболее удаленными контактами пропускают ток постоянной величиныI₀и последовательно измеряют падение напряжения между первым и вторым, первым и третьим и т.д. контактами. При этом падение напряжения между контактами выражается следующим образом:

U₁₂=I₀R_к+I₀R;

U₁₃=I₀R_к+ 2I₀R;

U_1i=I₀R_к+ (i– 1)I₀R;

U_1n=I₀R_к+ (n– 1)I₀R,

где R_к- искомое контактное сопротивление;R- сопротивление части диффузионного резистора, расположенной между первым и вторым, вторым и третьим и т.д. контактами. Строят график распределения падения напряжения вдоль диффузионного резистора и экстраполяцией зависимости к нулевому расстоянию между контактами определяют величину падения напряжения на контактеU_Rк . Искомую величинуR_кнаходят как:

R_к = U_Rк / I₀ .

Описанная схема измерения приведена на рис.6.

Рис 6. Схема измерения переходного сопротивления контактов: а - вид сбоку; б - распределение падения напряжения по длине резистора

Рис.7. Топология и поперечное сечение трехконтактной тестовой структуры для определения переходного сопротивления контактов

Недостатки данного метода измерения, снижающие точность определения переходного сопротивления контактов, состоят в необходимости значительного числа измерений, графического построения и требовании воспроизведения идентичных конструктивных параметров всех контактов. При расчете же удельного переходного сопротивления возникает систематическая ошибка, связанная с неопределенностью в вычислении эффективной площади контакта, так как протекание тока через контактную площадку в данном случае неоднородно.

Более приемлем метод, связанный с использованием трехконтактных тестовых структур. На рис.7 приведена одна из наиболее употребимых тестовых структур, применяемых в данном методе. Как и в предыдущем методе, в полупроводнике формируют диффузионный резистор и маскируют его диэлектриком. Изготавливают три идентичных контакта. Контакты шириной Wи длинойLразмещают так, что расстояние между нимиl₁>l₂. Таким образом имеют три планарных резистораR₁,R₂иR₃. При этомR₃=R₁+R₂.

Полагая, что контактное сопротивление всех трех контактов одинаковое, получаем

R_i=R_sl_i /L+ 2R_к,

где i= 1, 2, 3, аR_s- поверхностное сопротивление диффузионной области в полупроводнике. ДляR_кможно записать следующее выражение:

R_к = .

Необходимо отметить, что при анализе экспериментальных данных, полученных этим методом, следует проявлять большую осторожность. Так, на рис.7 показано протекание тока в диффузионном резисторе между контактными площадками. Линии тока параллельны только между двумя эквипотенциальными поверхностями S₁иS₂, в области же контактных площадок протекание тока неоднородно по площади контактов, т.е. существует большая неопределенность в нахождении эффективной площади контактов. Возможны ошибки при определении длин резисторовl₁иl₂ , а также параметров контактовWиL.

Самым распространенным в настоящее время методом определения параметров омических контактов является четырехконтактный метод, или метод резистора Кельвина (крест Кельвина). Топология соответствующей тестовой структуры приведена на рис.8.

Она содержит четыре контактные площадки, расположенные на диэлектрике. Две из них контактируют с поверхностью полупроводника через вскрытое в диэлектрике контактное окно в центральной части диффузионного резистора, образуя центральный контакт. Две другие контактные площадки контактируют с поверхностью диффузионного резистора по периферии, образуя крайние контакты. Если пропускать ток I₀ между одним из крайних контактов и центральным, а измерять падение напряжения U между центральным и другим крайним контактом, то приближенно R_к = U / I₀.

Рис.8. Топология структуры резистора Кельвина: 1 - диффузионный резистор; 2 - 4 - контакты к кремнию; 5 - 8 - контактные площадки

6. Основные требования к параметрам омических контактов в составе ИС

Для повышения быстродействия полупроводниковых устройств необходимо создавать контакты с минимально возможным переходным сопротивлением. Кроме того, важно обеспечивать высокую воспроизводимость полученных значений сопротивления, а также их стабильность во времени и при термополевых воздействиях.

Анализ основных конструктивных вариантов изготовления активных элементов ИС позволяет сформулировать следующие основные требования к электрофизическим и технологическим параметрам материалов контактов:

- высокая проводимость;

- высокая электромиграционная стойкость;

- одновременное обеспечение минимальных переходных сопротивлений контактов к кремнию n- ир-типа;

- однородность границы раздела металл - кремний;

- хорошая раскисляющая способность (эффективное растворение естественного окисла кремния);

- малое проникновение металла в объем кремния;

- согласование КТР материала с КТР кремния;

- хорошая адгезия к Si и SiO₂;

- химическая инертность по отношению к SiO₂и другим диэлектрикам (ФСС, Si₃N₄ и пр.);

- возможность формирования самосовмещенного контакта;

- возможность селективного травления по отношению к кремнию и SiO₂;

- тепловая устойчивость контактов при высокотемпературных обработках;

- высокая коррозионная стойкость;

- технологичность, т.е. возможность формирования контактов доступными средствами.

6. Конструктивно-технологические особенности создания омических контактов

Основными конструктивными вариантами омических контактов в кремниевых ИС являются:

- металл - монокристаллический кремний (контакты первого типа);

- металл - поликристаллический кремний (контакты второго типа);

- поликристаллический кремний - монокристаллический кремний (контакты третьего типа).

Наиболее широко в полупроводниковых приборах и ИС используют контакты первого типа, представляющие собой металлические контакты к активным областям приборов, сформированным в крем-ниевых монокристаллических подложках. Поперечное сечение такого контакта приведено на рис.9, где структура (а) представляет обычный контакт, структура (б) - контакт типа «полный эмиттер», который формируют в пределах той же области, в которой сформирован высоколегированный слой.

Контакты второго типа (рис.10) используются в настоящее время в МДП ИС (в качестве металлических контактов к поликремниевым затворам

МДП-транзисторов и поликремниевым проводящим шинам) и в трехмерных ИС (в качестве металлических контактов к активным областям приборов, сформированных в слоях поликристаллического кремния).

Рис.9. Конструктивные варианты омических контактов первого типа: а - обычный; б - типа «полный эмиттер»

Контакты третьего типа (рис.11) наиболее эффективно применяются в биполярных ИС (в качестве поликремниевых контактов к самосовмещенным активным областям приборов, сформированных в монокристаллических кремниевых подожках).

Для обеспечения в контактах минимально возможного переходного сопротивления необходимо либо увеличивать площадь контакта, либо снижать величину _к. Что касается площади контакта, то тенденция ее уменьшения в современных полупроводниковых устройствах очевидна. Таким образом, проблема создания эффективных омических контактов связана в основном с выбором материалов контактов и технологий формирования контактов, позволяющих обеспечить минимально возможное значение_к. В табл.3. приведены данные сравнительного анализа значений удельного переходного сопротивления контактов, сформированных на основе различных контактных материалов. Как следует из таблицы, наилучшие результаты могут быть достигнуты при использовании в качестве контактного материала алюминия или силицидов.

Широко используемый до последнего времени в контактах первого типа в качестве контактного металла алюминий не может эффективно применяться в приборах с мелкозалегающими р–n-переходами прежде всего из-за имеющего место эффекта взаимного сплавного проникновения в системе Al - Si.

Рис.10. Конструктивный вариант омических контактов второго типа в МДП-транзисторных структурах с поликремниевыми затворами

Рис.11. Конструктивный вариант омических контактов третьего типа

Таблица 3.

Данные сравнительного анализа значений удельного переходного сопротивления контактов на основе различных металлов

Контактный металл	кОК к Sin-типа (10–6), Омсм2	кОК к Siр-типа (10–6), Омсм2
Al	0,5	0,8
Ti	8	10
Mo	8	12
W	0,4	–
WSi2	0,4	2
PtSi	0,1	0,6
TiSi2	0,1	0,5

Частично решить данную проблему удается введением в осаждаемый слой Al небольшого количества Si (~1 %). Однако при этом возникают другие проблемы: появление в контактных окнах преципитатов р-Si, ухудшение омических свойств контакта кn-Si вследствие подлегирования Al поверхности кремния и др. Использование же нетермических способов обработки контактов Al - Si не приводит к достижению приемлемых значений переходного сопротивления контактов. Алюминий, легированный кремнием, в качестве контактного материала до последнего времени широко используется в контактах второго типа (металл - поликремний), имеющих место прежде всего в МДП ИС. При этом проблема сплавного проникновения в контактной системе частично устраняется тем, что контактное окно топологически выносится за пределы канальных областей транзисторов, а при формировании контактов используются технологические приемы, развитые для контактов к монокристаллическому кремнию. Те же приемы применяются и приформированииалюминиевых контактов кполикремниювтрехмерныхИС.

В последнее время для созданияконтактов кр–n-переходам в моно- и поликристаллическом кремнии широко используются силициды различных переходных, в первую очередь тугоплавких, металлов, которые в основном удовлетворяют перечисленным выше требованиям к материалам омических контактов. Введение слоя силицида позволяет получать однородный малопроникающий контакт к кремнию, характеризующийся высокой тепловой устойчивостью. Исходя из сравнительного анализа параметров силицидов, представленных в табл.1 и 2, можно сделать вывод о том, что в качестве материала контакта к мелкозалегающимр–n-переходам предпочтительнее всего использовать силицид титана (TiSi₂), который обладает минимальным среди прочих силицидов удельным сопротивлением и образуется при относительно низких температурах. Помимо этого, титан, нанесенный на поверхность кремниевой подложки, способен растворять слой естественного окисла, что обеспечивает однородность протекания процесса твердофазного силицидообразования по всей границе контакта. TiSi₂образует контакты с достаточно малым сопротивлением как кn-, так и кр-Si. Эти и многие другие достоинства силицида титана привлекают широкое внимание разработчиков и обеспечивают TiSi₂устойчивые позиции в качестве основного материала контактов в приборах с мелкозалегающимир–n-переходами.

Для омических контактов на основе силицидов, как и для контактов Шотки в составе ИС, возникает проблема термостабильности, связанная с использованием алюминия в качестве материала проводящих межсоединенийв системе металлизации. Эта проблема в основном решается благодаря использованию в конструкции контакта промежуточного слоя диффузионного барьера.