ПИМС и МП. Лекции, задания / УчебнПособ_Р1_1_м

150

2.17.5 Алгоритм проектированияконденсаторов БП ИМС

Формулировка исходных требований и ограничений является необходимым начальным этапом в проектировании конденсаторов. Исходные требования и ограничения для проектирования конденсаторов предпочтительно группировать в следующие разделы:

–функциональные параметры конденсатора по назначению (параметры назначения);

–параметры материалов обкладок и диэлектрических слоев;

–технологические ограничения на размеры, допустимые отклонения размеров и удельных параметров материалов;

–эксплуатационные ограничения по применению конден-

сатора;

–расчетные соотношения и рекомендации для выбора материалов, форм и размеров конденсатора по заданным параметрами, технологическим и эксплуатационным ограничениям.

Последующие переходы в процессе проектирования образуют приводимую алгоритмическую последовательность, представленную на рисунке 2.68.

Полупроводниковые конденсаторы, как отмечалось ранее, имеют ограниченное применение в цифровых ИМС. Скорее они являются сопутствующими элементами, когда в них есть необходимость. Применительно к ИМС на биполярных транзисторах емкости в единицы пикофарад не могут рассматриваться как функциональные элементы, вследствие относительно невысоких входных и выходных сопротивлений. Кристаллы с полупроводниковыми конденсаторами находят применение в качестве емкостных датчиков и изменяемых напряжением емкостных элементов (варикапов). Емкостные элементы в качестве функцинальных при величине емкости доли и единицы пикофарад являются элементами ИМС на транзисторах со структурой «металл-диэ- лектрик-полупроводник» (МДП).

152

1

Нет

Соответствует?

Рассмотреть возможности изменения формы топологии, замены диэлектрика,

или согласовать корОценка параметров ректировку исход- элементов схемы за-

мещения

ных ограничений

Формирование эскиза топологии конденсатора с Завершение

учётом технологических допусков на размеры

Рисунок 2.68 (окончание)

2.18 Соединения и контакты БПТ ИМС

2.18.1 Общие сведения

В конструкциях кристаллов микросхем предусматриваются топологические элементы функционально предназначенные:

–для электрического соединения элементов, размещенных на кристалле;

–для электромонтажного соединения кристалла с расположенными вне его конструктивными объектами (контакты внешних подключений кристалла);

–для электрического соединения кристалла с расположенным вне его контрольно-измерительным оборудованием для тестового контроля функционального соответствия параметров отдельных элементов, групп элементов (контакты внутрисхемного электрического контроля).

Для кристаллов вследствие малости размеров элементов контакты третей группы обычно не предусматриваются. Тестируемые элементы выносятся на специальные тестовые кристаллы, где контакты для подключения измерительного оборудования

153

к контролируемым объектам могут исполняться с увеличенными размерами.

2.18.2 Материалы и структуры соединений и контактов

Для межэлементных соединений применяются пленки ряда металлов и поликристаллического полупроводникового материала (кремния, в частности). Пленки металлов наносятся по диэлек-

2.70, поз. 1 отмечена специально введенная диффузионная низкоомная перемычка, благодаря применению которой реализовано пересечение коммутационных проводников в двух уровнях (со структурой, для примера изображенной на рисунке 2.71). Позициями 2, 3 на рисунке 2.70

полупроводнику слоем, либо располагается на специальном контактном слое. В этом случае коммутационное соединение или контакт определяется как многослойная структура, каждый слой в которой функционален. Пример такой структуры представлен

зию к SiO2. Примером восстановительной реакции является реакция SiO2 с алюминием

4Al +3 SiO2 = 2Al2O3 + Si.

В качестве материала контактного слоя 2 используют молибден, хром, никель, титан, платину, палладий, иридий и др.

Молибден обеспечивает получение хорошего омического контакта к кремнию обоих типов проводимости, имеет высокую электропроводность, не образует химических соединений с алюминием и золотом, хорошо травится в процессе фотолитографии и соответствует большинству приведенных требований к контактному слою. К недостаткам молибденовых пленок относят их сравнительно высокую пористость и химическую активность, приводящую к коррозии.

Хром (сплав нихром) отличается очень хорошей адгезией к защитной пленке SiO2 (поз.1) и, подобно алюминию, активно восстанавливает SiO2. Поэтому он применяется в качестве адгезионного слоя 3 (см. рис. 2.72). Недостатком чисто хромовых пленок на кристаллах, покрытых SiO2, является образование в

155

пленках высоких механических напряжений, приводящих к образованию сквозных пор и разрывов.

Никель применяется благодаря технологичности нанесения слоев из растворов электролитов. Его можно наносить термовакуумным напылением, катодным распылением, разложением паров карбонила Ni(СО)4 при температуре 270... 310 °С.

Титан применяется в качестве контактного подслоя 2, и, как и другие переходные металлы, обладая высокой адгезией к кремнию, окиси кремния и к фосфоросиликатному стеклу, применяется в качестве адгезионного. Титан химически не взаимодействует с кремнием, не образует интерметаллических соединений. Пленка двуокиси титана имеет невысокое сопротивление, и поэтому общее сопротивление контакта невелико. Из-за быстрого окисления на воздухе при работе с такой пленкой электромонтаж выводов должен осуществлятся в среде инертных по кислороду газов. При температуре 400...500 С титан взаимодействует с пленкой SiO2 подобно алюминию и хрому по схеме:

Ti + SiO2 → TiO2+ Si.

Функции адгезионного слоя 3 заключаются в обеспечении высокой прочности сцепления металлической разводки с пленкой SiO2, кремнием и контактным слоем. При использовании в качестве контактных слоев платины, палладия, иридия адгезионный слой обязателен. Материалами адгезионных слоев могут быть титан, молибден, хром и другие переходные металлы. Естественно, когда эти материалы используются в качестве контактных слоев, они же одновременно выполняют функции адгезионного слоя.

Проводящий слой 5, наносимый поверх контактного и адгезионного, должен выполнять основные функции разводки, иметь низкое удельное сопротивление, обеспечивать надежное контактирование с внешними выводами микросхемы. В качестве материалов проводящего слоя естественно назвать золото, алюминий, серебро, медь. Однако два последних металла не используют в производстве микросхем из-за их большой миграционной подвижности и отрицательного влияния на характеристики элементов. Сочетания слоев из Мо, Сг, Ni, Ti с Аи и AI нестабильны при повышенных температурах из-за образования плохо проводящих электрический ток интерметаллических соединений на границе

156

раздела пленок этих металлов, а также не обеспечивают защиты кремния от проникновения в него золота диффузионным путем.

Поэтому в многослойных системах коммутационной разводки предусматривают буферный слой 4 (см. рис. 2.72), который предотвращает образование интерметаллических соединений между верхним и нижним слоями (например, между хромом и золотом, титаном и золотом), препятствует диффузии металла одного слоя в другой, приводящей к ухудшению механической прочности и изменению сопротивления контакта. В качестве буферного слоя применяют молибден, никель, платину, палладий.

Последним из наносимых на интегральную микросхему, в том числе на металлизацию, слоев является диэлектрический защитный слой 6 (см. рис. 2.72), который обеспечивает ее защиту от внешних воздействий в межоперационный период в процессе присоединения выводов и размещения в корпус.

Для поверхностных проводящих слоев из благородных металлов (золота, например) дополнительный защитный слой не требуется. Наилучшими эксплуатационными свойствами обладают трехслойные системы металлизации: титан — платина — золото, титан — молибден — золото, силицид платины (PtSi) — платина — золото и четырехслойные: хром — титан — платина — золото. Четырехслойная система металлизации обеспечивает качественный омический контакт к кремнию, большие плотности тока. Слой титана обеспечивает качество адгезии к хрому и платине. Слой платины улучшает адгезию золота к титану и является барьером эррозии золотого покрытия, которое хорошо совмещается технологией электромонтажа внешних выводов. Многослойные коммутационные структуры с функциональными слоями применяются в многоуровневых системах соединений, вариант которой для двух уровней металлизации изображен на рисунке 2.73. На рисунке 2.73 позиционированы следующие функциональные слои: 1 — пленка термически выращенного окисла

(SiO2); 2 — слой молибдена: 3 — золотой пленочный проводник первого уровня; 4 — слой ванадия; 5 — золотой пленочный проводник второго уровня;

Рисунок 2.73

6 — сплошная пленка осажденного

157

окисла кремния или стекла.

Нормированные по удельному сопротивлению меди (ρСu = = 1,7 10–6 Ом см) удельные сопротивления ряда материалов ρМе, применяемых для выполнения коммутационных проводящих пленок, приведены в таблице 2.6 [3].

Таблица 2.6

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

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.

159

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 dМе = 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 при-

нять — 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 (√ρMe ω μ μo)]. (2.142)