2.18.3 Параметры и размеры соединений и контактов

Минимальная ширина пленок шины металлизации (при заданной ее толщине) определяется допустимой плотностью тока (2,0–2,5)10⁵ А /см² или технологическими ограничениями на размеры. Коммутационные проводники вносят в исполняемые микроэлектронные устройства не предусмотренные (паразитные) элементы: активное сопротивление (сопротивление потерь), емкости и индуктивности. Активные сопротивления металлизированных шин определяются удельным сопротивлением материала и увеличиваются на переменном токе вследствие влияния вихревых токов (проявление поверхностного эффекта в проводниках). Толщина слоя коммутационных шин не превышает (1–1,5) мкм и имеет удельное поверхностное сопротивление слоя R□ порядка (0,05–0,5) Ом. Значение сопротивления R□ вследствие неоднородности тонких пленок в (2–3) раза превышает значение, получаемое из удельного сопротивления, соответствующего таблице 2.6 (ρ = 2,9×10^–6 Ом×см). На повышенных частотах толщина слоя в проводнике, на которой плотность тока снижается е =2,71 раз по сравнению с поверхностью, определяется по выражению

dc ≈ , (2.137)

где ρ — удельное сопротивление полупроводника,Ом×см;

ω — рабочая частота, Гц;

μ₀ = 4×π×10^–9 Гн/см — магнитная проницаемость вакуума;

μ ≈ 1 — относительная магнитная проницаемость полупроводника.

Погонное (на единицу длины) сопротивление потерь Rп коммутационного проводника шириной b с учетом частотного влияния может быть оценено по формуле [5]

Rп = (0,35√ρ_Me ×ω×μ×μo)/b. (2.138)

Погонная емкость пленочного проводника (Сп) на несущий полупроводниковый слой кристалла определяется по формуле

Сп = εи×εo×b/dи, (2.139)

где εи, dи — относительная диэлектрическая проницаемость и толщина диэлектрического защитного слоя под коммутационным проводником. При применении сложных диэлектрических слоев с отличающимися значениями εи, dи в формуле (2.139) подставляется эффективное значение диэлектрической проницаемости

εиэф = εи1× εи2×(dи1 + dи2) /(εи1×dи1+ εи2×dи2). (2.140)

Погонная индуктивность Lп пленочного проводника определяется по формуле

Lп ≈ μo×dи/b. (2.141)

Влияние вихревых токов следует учитывать на частотах сотни МГц. Паразитную емкость необходимо учитывать на любых частотах. Роль паразитной индуктивности обычно мала.

Ширина проводных соединений должна удовлетворять следующим требованиям:

• соответствовать технологическим нормам по минимально-допустимым размерам;

• соответствовать тепловому режиму эксплуатации соединения на постоянном и, если требуется, на переменном токе;

• соответствовать требованиям ограничения на вносимые паразитные параметры.

Технологические нормы на ширину проводника либо оцениваются через технологические погрешности исполнения (и совмещения в многослойных структурах) линейных границ проводника, либо устанавливаются как нормированное минимальное значение Lмин.

Соответствие по тепловому режиму обеспечивается выбором ширины проводника b либо по известному коммутируемому току I, допустимой плотности тока Io при известной толщине проводящего слоя t по формуле

b ≥ I/t×Io,

либо выбором ширины проводника b по известному коммутируемому току I допустимой удельной мощности Руд при известном поверхностном сопротивлении проводника R□ по формуле

b≥ I×√ (R□/ Руд).

Соответствие коммутационного проводника по сопротивлению обеспечивается выбором ширины проводника из неравенства

L×Rп/b ≤ Rдоп,

где L — длина проводника определяемая для известной топологической разводки;

Rдоп — допустимое сопротивление коммутационного проводника на частоте ω по функциональному применению.

Для постоянного тока приведенное неравенство представляется в виде

L×R□/b ≤ Rдоп.

Пример. Рассчитать минимальную ширину b алюминиевого пленочного проводника при максимальном токе I = 30 мА и толщине металлизации d_Ме = l,5 мкм. Определить погонные значения паразитных параметров (Rп, Сп, Lп) и сопротивления паразитных элементов на частоте F = 100 МГц. Толщину диэлектрической пленки принять — 0,5 мкм; диэлектрическую проницаемость принять — 3,9.

Наибольшее распространение в качестве межслойного диэлектрика получили SiO, Si0₂ и А1₂О₃. Пленка А1₂О₃ формируется анодным окислением. Минимальная толщина диэлектрических пленок для обеспечения качества изоляции и исключения пор составляет 0,5 мкм. Широко используются структуры с двумя слоями металлизации, хотя ценою усложнения технологии и сокращения процента выхода годных изделий возможно применение трех и более слоев металлизации

Влияние паразитных параметров Rп и Сп можно характеризовать граничной частотой Fгр, на которой амплитуда сигнала, передаваемого по шине металлизации, ослабляется до 0,707 исходного значения. Граничную частоту Fгр, при однослойной металлизации и длине коммутационного проводника L, можно оценить по формуле

Fгр = 1/2×π×Rп×Сп×L² = dи/[2,2L²× εи×εo×(√ρ_Me ×ω×μ×μo)]. (2.142)

Пример. Рассчитать для двухслойной металлизации Сп и Fгр. Для первого слоя диэлектрика (SiO₂) принять dи1 = 0,5 мкм; εи1 =3,9. Для второго слоя (SiO) принять dи2 = l мкм; εи2 = 6. Ширина проводника b = 10 мкм при длине 1 см.

Сопротивление и паразитная емкость, вносимые перемычкой, определяются аналогично методике, рассмотренной применительно к резисторам (см. материалы п. 2.17). В ИМС на биполярных транзисторах для перемычек используется n⁺-слой, расположенный в отдельной изолированной области. Площадь, занимаемая перемычкой, приблизительно равна площади транзистора с минимальными геометрическими размерами.

Контактные площадки ИМС — это металлизированный участок на кристалле, предназначенный для присоединения внешних выводов при электромонтаже кристаллов в конструкциях более высоких иерархических уровней, а также для контроля ее электрических параметров. Контактные площадки для внешнего монтажа располагают по периферии кристалла. Они представляют собой расширенные области коммутационных пленочных проводников и формируются одновременно с со всей системой соединений (коммутационной разводкой). Линейные размеры контактных площадок определяются линейными размерами проводников внешних подключений и технологическими ограничениями по позиционированию электромонтажного оборудования. В качестве проводников внешнего электромонтажа применяются проволока диаметром не менее 25 мкм и монтажная лента с сечением не 2525 мкм. Учитывая деформацию внешнего соединительного проводника в зоне электромонтажа (см. рис. 2.69, 2.70) и недопустимость выхода монтажной деформации за пределы контактной площадки, следует при проектировании топологии назначать линейные размеры площадки не менее (3–4) диаметров монтажной проволоки или большего линейного размера сечения монтажной ленты.

С целью предотвращения замыкания металла контактных площадок 1 на подложку в случае нарушения целостности окисла 2 в процессе присоединения внешних выводов (см. рис. 2.69, рис. 2.70), под каждой контактной площадкой (за исключением площадок, имеющих электрический контакт с подложкой) формируется изолированная область 3 (см. рис. 2.74).

Проектирование соединений и контактов имеет целью решение следующих задач:

• выбор материалов по рекомендуемым допустимым их сочетаниям в соответствии с функциональным назначением;

• выбор рекомендуемых допустимых толщин слоев пленок соединений;

• определение ширины соединительных проводников по коммутируемым токам, технологическим нормам и параметрам проводника (поверхностное сопротивление, допустимая плотность тока, удельная мощность теплоотдачи);

• выбор формы и линейных размеров контактных площадок (с учетом формы, размеров монтажных проводников и технологии монтажа).