Роль металлизации в полупроводниковых приборах и ис. Элементы металлизации ис. Основные примеры конструктивного исполнения металлизации. Физические и конструктивные параметры элементов металлизации.
С повышением степени интеграции ИС роль металлизации резко возрастает. Она занимает все большую площадь и начинает влиять на основные параметры схем: площадь кристалла, быстродействие, показатель качества, помехоустойчивость, надежность и др.
Если с уменьшением размеров быстродействие логических элементов возрастает, то быстродействие межсоединений системы металлизации снижается из-за уменьшения поперечного сечения проводников межсоединений и соответствующего увеличения погонного сопротивления. В результате, начиная с некоторого уровня интеграции ИС, задержки сигналов в межсоединениях могут превышать задержки в самих логических элементах. С уменьшением поперечного сечения проводников межсоединений появляется и ряд других проблем: снижается электромиграционная стойкость проводников, значительно усложняются технологические приемы травления при создании рисунка проводников с воспроизводимыми размерами и др.
Существенное влияние на параметры полупроводниковых приборов с субмикронными размерами и ИС высокой степени интеграции оказывают омические контакты и контакты Шотки. Так, с уменьшением размеров элементов ИС значительно повышается переходное сопротивление омических контактов.
Уменьшение размеров приборов (масштабирование), как известно, производится в соответствии с определенными принципами. Основной задачей является сохранение неизменными ряда конкретных параметров прибора. Падением напряжения в субмикронных контактах уже нельзя пренебречь в сравнении с общим напряжением на образцах. Субмикронные контакты вносят существенный вклад в быстродействие приборов.
Появились новые проблемы при создании контактной системы металлизации в полупроводниковых приборах и ИС. В частности, возникли проблемы создания малопроникающих омических контактов к диффузионным областям в кремнии малой глубины и обеспечения их дальнейшей тепловой устойчивости, потребовавшие поиска новых эффективных контактных материалов.
Таким образом, наличие множества специфических проблем в технологии создания эффективных контактных систем металлизации современных полупроводниковых приборов и ИС обусловило интенсивные исследования в данном направлении как у нас в стране, так и за рубежом, и позволило разработать принципиально новые эффективные контактные системы, отличающиеся повышенной воспроизводимостью электрофизических параметров контактов и повышенной тепловой устойчивостью.
Выпрямляющие контакты. Электрофизические параметры контактов и методы их определения.
В большинстве случаев контакты металл - высокоомный полупроводник представляют собой контакты Шотки (КШ), потенциальный барьер в которых обусловлен пространственным зарядом обедненной области в полупроводнике на границе раздела с металлом, а токоперенос осуществляется посредством термоэлектронной эмиссии носителей заряда над барьером.
Основной электрофизической характеристикой выпрямляющих контактов является высота потенциального барьера qB , которая определяет основные параметры ВАХ диодов Шотки (ДШ). В соответствии с теорией Бете (диодной теорией), разработанной для полупроводников с высокой подвижностью, таких как кремний и арсенид галлия, вольт-амперная характеристика контакта может быть представлена в виде
I = SAT2exp(–qB/kT [exp(qU/nkT) – 1],
где S - площадь контакта; A - модифицированная постоянная Ричардсона с учетом эффективной массы электрона в полупроводнике; n - коэффициент неидеальности ВАХ.
Прямая ветвь ВАХ ДШ характеризуется величиной прямого падения напряжения при фиксированном токе (например, UI = 100 мкА), коэффициентом неидеальности ВАХ, сопротивлением диода Шотки RДШ . Обратная ветвь ВАХ ДШ характеризуется величиной обратного тока при фиксированном напряжении (например, IUобр = 5 В), пробивным напряжением Uпроб .
Одной из наиболее распространенных как у нас в стране, так и за рубежом является методика расчета высоты барьера и коэффициента неидеальности контактов Шотки по их ВАХ. Данная методика наиболее проста и экспресна, кроме того, позволяет с высокой точностью определить искомые параметры. В соответствии с ней высота барьера вычисляется из ВАХ ДШ по формуле
qB = kTln {SA*T2/Is},
где Is- ток насыщения, определяемый экстраполяцией прямой ветви ВАХ к нулевому напряжению. Коэффициент неидеальности находится из экспериментальных ВАХ ДШ в соответствии с формулой
.
Наряду с указанной методикой для определения высоты барьера успешно используют С - U-и фотоэлектрическую методику, которые более трудоемки, но в ряде случаев позволяют получить высоту барьера контактов с повышенной точностью.
Диоды на основе контакта Шотки подобно электронно-дырочному переходу имеют одностороннюю проводимость с прямой ветвью ВАХ, близкой к экспоненциальной, однако существенно отличаются от него принципом работы. Так, при прямом смещении в р–n-переходе перенос тока обусловлен инжекцией неосновных носителей из одной области в другую. Если полярность смещения резко изменить на противоположную, через р–n-переход продолжает течь ток до тех пор, пока избыточная концентрация неосновных носителей не упадет до нуля. Данное явление известно под названием эффекта накопления неосновных носителей заряда. Указанный эффект практически отсутствует в ДШ. Связано это с тем, что, например в контакте металл - полупроводник n-типа при прямом смещении также имеет место инжекция неосновных носителей в металл. Однако в металле инжектированные носители теряют энергию, необходимую для преодоления барьера в обратном направлении, за время ~10–14 с. Поэтому при изменении полярности смещения за t > 10–14 с токопереноса в обратном направлении не происходит. Иными словами, ток в ДШ обусловлен исключительно основными носителями заряда. В связи с этим ДШ характеризуются малым временем переключения.
Другая особенность ДШ заключается в том, что напряжение его отпирания в большинстве случаев меньше, чем р–n-перехода, изготовленного из того же полупроводника. Для р–n-перехода наименьшая возможная высота потенциального барьера составляет ~0,8 эВ, а ДШ легко создать с высотой барьера ~(0,5 - 0,6) эВ. Причем значение высоты барьера КШ, как это будет показано далее, можно регулировать в широких пределах (от 0 до 1,1 эВ) конструктивными и технологическими методами.
В кремниевых полупроводниковых устройствах контакты Шотки наиболее часто применяются в биполярных ИС. Дело в том, что одним из основных режимов работы транзисторов в большинстве семейств биполярных логических схем и схем памяти является режим насыщения, когда оба перехода транзистора смещены в прямом направлении и инжектируют. Это приводит к накоплению неосновных носителей в базовой и коллекторной областях, время «рассасывания» которых ограничивает скорость переключения транзистора.
Уменьшить время переключения транзистора можно посредством шунтирования его коллекторного перехода диодом Шотки. Если прямое падение напряжения в ДШ меньше, чем напряжение питания база - коллектор открытого транзистора, то большая часть базового тока потечет через диод, в котором носители заряда не накапливаются. Поэтому время рассасывания может быть уменьшено до 10 % от времени рассасывания транзистора и может достигать величины, меньшей 1 нс. На рис.1 приведены структура интегрального биполярного транзистора с ДШ, включенным параллельно р–n-переходу, и его символическое обозначение.
Другим способом уменьшения времени рассасывания является замена коллекторного р–n-перехода транзистора барьером Шотки, металлическая часть которого образует коллекторную область. На рис.2 представлены структура биполярного транзистора с металлическим коллектором (ТМК) и его символическое обозначение.