Создание омических контактов к ис

Основное назначение контактов в ИС - это подведение электрического тока к той или иной ее области.

Для планарных ИМС используют как локальные контакты (рис.5.2,а), так и распространенные (рис.5.2,б), выходящие на поверхность диэлектрического покрытия - двуокиси кремния, нитрида кремния и т.д. Распространенные контакты являются большим достоинством планарных ИМС, так как они позволяют отделить место присоединения вывода от активной области прибора и тем самым резко уменьшить как размеры последней, так и вредные воздействия на нее.

Основные качества контактов - обеспечение заданных электрических параметров и механическая прочность - должны сохраняться в течение всего срока службы ИМС при изменении в широком диапазоне условий эксплуатации схем. Для нормальной работы полупроводникового прибора или ИМС контакты к ним должны удовлетворять следующим требованиям:

- быть невыпрямляющими, т.е. сопротивление контакта не должно меняться при изменении направления протекающего тока, и неинжектирующими;

- обладать линейными зависимостями сопротивления от величины протекающего тока;

- иметь минимальное сопротивление, в том числе в направлении, параллельном поверхности, особенно если вывод присоединен к незначительной по площади части контакта;

- обладать высокой теплопроводностью и иметь коэффициент теплового расширения, близкий к аналогичным коэффициентам кремния и материала вывода или корпуса;

- представлять металлургически стабильную систему с кремнием и материалом вывода, в случае многослойных контактов это условие относится к взаимодействию слоев между собой;

- металл контакта должен обеспечивать достаточно хорошую адгезию к кремнию, а в случае распространенных контактов - и к диэлектрическому покрытию;

- не вступать в химическое взаимодействие с диэлектрическим покрытием;

- обеспечивать проведение фотолитографии;

- глубина диффузии металла контакта в кремний должна быть минимальной.

Для создания неинжектирующего контакта с малым сопротивлением необходимо, чтобы электрохимические потенциалы металла _мет и кремния _Si удовлетворяли условиям: _мет < _Si для Si n-типа; и _мет > _Si для Si p-типа. Однако такие контакты, как правило, обладают нелинейными вольт-амперными характеристиками, их сопротивление зависит от величин приложенного напряжения и протекающего тока.

Этого можно избежать путем дополнительного легирования полупроводника под контактом, например, в кремнии n-типа диффузионным способом создается тонкая область n⁺-типа. Между n^–- и n⁺-областями возникает контактная разность потенциалов, пропорциональная разности концентраций ионизированных доноров. Изменить эту разность потенциалов прилагаемым извне напряжением очень трудно: при любой полярности напряжения будет изменяться только поток основных носителей. За счет этого обеспечивается линейность характеристики контакта. Линейный неинжектирующий контакт принято характеризовать контактным или переходным сопротивлением _k. Величина этого сопротивления в основном зависит от вида металла, типа и сопротивления полупроводника

.

Для полупроводника с малой концентрацией примеси можно использовать уравнение:

где A^* = 4em^*k²/h³ - постоянная Ричардсона (e - заряд электрона; k - постоянная Больцмана; m^* - эффективная масса носителей заряда; h - постоянная Планка); _В - высота барьера металл - полупроводник. Поскольку в этом случае преобладает термоэлектронная эмиссия через барьер, малое сопротивление контакта требует малой высоты барьера. При концентрации примеси, меньшей 10¹⁷ см^–3, _k не зависит от уровня легирования. При высокой концентрации примеси ширина барьера уменьшается вследствие сильного изгиба зон полупроводника, и основную роль при протекании тока в контакте играет туннелирование сквозь барьер. В этом случае контактное сопротивление можно представить в виде

,

где _S - диэлектрическая постоянная кремния; N_D - концентрация примеси в полупроводнике. С ростом концентрации выше 10¹⁹ см^–3 _k быстро уменьшается. В табл.5.1 представлены значения _В для наиболее употребимых материалов контактов.

Таблица 5.1

Высота барьера металл - кремний, В

Материал контакта	В для кремния n-типа	В для кремния p-типа
Al Cr Mo Pt Ti PtSi Pd2Si TaSi2 TiSi2 WSi2	0,72 0,61 0,68 0,90 0,50 0,84 0,72 - 0,75 0,59 0,60 0,65	0,58 0,50 0,42 0,61 - - - - - -

Для кремния n-типа можно использовать также эмпирическое соотношение

где A = 3,3 и b = 1,3 справедливо для многих металлов.

При дополнительном легировании, когда под контактом создается тонкий слой с поверхностным сопротивлением _n, общее сопротивление контакта R можно подсчитать по формуле

где a - ширина контакта; b - его длина;

Следует отметить, что сопротивление контакта в большой степени зависит от технологических факторов, таких как подготовка поверхности, наличие остатков окисла и др.

Требования к металлургическим и другим физико-химическим свойствам контактов (например, к адгезии) удовлетворить намного сложнее. В то же время именно от этих свойств зависит надежность контактной системы. Причина затруднений кроется в очевидной противоречивости требований (прочность контакта, но неглубокое проникновение в кремний; хорошая адгезия к окислу, но слабое влияние на его свойства; инертность металла, но способность восстанавливать окисные пленки на кремнии). Удовлетворить все требования, применяя любой металл, практически невозможно.

Оценивая достоинства и недостатки алюминия, можно сказать, что этот материал наиболее пригоден для использования в качестве контактов к планарным приборам, работающим на частотах до 1 ГГц, не слишком мощных и не рассчитанных на жесткие требования к надежности.

В других случаях выходом является применение для контактов многослойных систем. В таких системах стремятся для создания нижнего (контактного) слоя использовать металлы, основными свойствами которых являются малое проникновение в кремний, низкое переходное сопротивление и способность к восстановлению окисных пленок. Металл верхнего проводящего слоя должен иметь высокую электропроводность и быть совместимым с металлами контактного слоя и вывода. Условие совместимости обычно трудно выполнить. Это вынуждает вводить третий слой - барьерный или разделительный, который бы предотвращал взаимодействие между металлами.

Для контактного слоя могут быть использованы молибден, никель, платина, хром, титан. Цинк, магний и кадмий сильно отличаются от кремния коэффициентом линейного расширения. Применение меди не всегда возможно из-за ее влияния на электрические свойства кремния.

Наилучшим из указанных металлов является молибден, который образует достаточно хороший контакт с низкоомным кремнием n- и p-типов; имеет высокую объемную проводимость; мало вплавляется в кремний; коэффициенты линейного расширения его и кремния близки; не подвержен электромиграции; не взаимодействует с алюминием, золотом, серебром; обладает сравнительно хорошей адгезией к двуокиси кремния; хорошо травится и обеспечивает фотолитографическую обработку; напыляется в вакууме, может наноситься из металлоорганических соединений. К недостаткам молибдена относятся: пористость молибденовых пленок, способствующая образованию эвтектики кремния с проводящим материалом, что нарушает контактную систему; значительное различие в коэффициентах расширения молибдена и алюминия; химическое взаимодействие (например с натрием).

Помимо молибдена, для контактного слоя используется платина или силицид платины Pt₅Si₂, чье контактное сопротивление мало, и контакт отличается надежностью. Однако металл довольно глубоко проникает в кремний, платина трудно травится при фотолитографии, не восстанавливает окисла и имеет к нему низкую адгезию.

Можно использовать хром, но он, как и алюминий, активно восстанавливает двуокись кремния, а пленки его обычно напряжены и пористы. Хром и алюминий применяются в качестве контактного подслоя. Предварительно нанесенные тонкие пленки этих металлов раскисляют поверхность кремния. Это позволяет снизить требования к подготовке поверхности и заметно улучшает электрические свойства контактов.

Для проводящего слоя могут быть выбраны серебро, медь, алюминий, золото. Первые два металла легко окисляются и образуют твердые растворы с золотом и алюминием, поэтому их используют редко.

Прекрасным разделительным слоем является платина: достаточно пленки толщиной 45 нм, чтобы предотвратить взаимодействие между слоями, например, титана и алюминия. Без разделительного слоя выбрать устойчивую биметаллическую систему трудно.

Одной из причин нестабильности многослойных систем является взаимная диффузия атомов металлов. Диффузией объясняются реакции образования твердых растворов, например в системе хром - золото (при этом наблюдается рост сопротивления на порядок), или интерметаллических соединений, как в большинстве систем с алюминием.

Нестабильность может быть также из-за рекристаллизации (например, в системе алюминий - хром), окисления или явления упорядочения решетки в пределах ближнего порядка, характерного для систем с хромом и титаном. Особенно важно проявление взаимодействия в практических условиях нанесения и вжигания слоев, а также при эксплуатации прибора.

Лекция 14

План

1. Использование силицидов металлов

2. Многослойная разводка. Основные проблемы.

С увеличением степени интеграции и уменьшением размеров элементов интегральных схем стало невозможным решить с помощью только металлических пленок проблемы создания контактов и межсоединений к сверхтонким структурам (эмиттерные и базовые контакты в биполярных транзисторах, контакты и выводы в МДП-транзисторах). Широко используются сейчас, наряду с алюминием и тугоплавкими металлами (Mo, W), силициды тугоплавких металлов TiSi₂, TaSi₂, WSi₂, MoSi₂, а также их сочетания с легированным поликристаллическим кремнием. Особенно привлекателен TiSi₂, обладающий наименьшим удельным сопротивлением.

Силициды металлов могут быть получены либо при осаждении металла на кремний с последующим отжигом, либо при одновременном распылении (сораспылении) кремния и тугоплавкого металла, например с использованием магнетронного распыления.

При напылении металла и последующем его вжигании в кремний образующиеся силициды могут иметь три модификации: Me₂Si с температурой образования примерно 200 С, MeSi (моносилицид) с температурой образования 400 - 500 С и MeSi₂ (дисилицид) с наибольшей (более 600 С) температурой образования. Не все силициды металлов имеют все три модификации, так, Pd, Pt образуют два первых соединения, а Ti и Ta только два последних. Две первые модификации силицидов металлов растут по параболическому закону: квадрат толщины пленки x² пропорционален времени вжигания t. В этом случае атомы металла диффундируют в кремний по междоузлиям, что приводит к ослаблению ковалентной связи в полупроводнике в случае большой концентрации металлических атомов. Ослабление ковалентных связей можно рассматривать как переход к связям, подобным металлическим. Одновременно идет и диффузия кремния в металл, но она гораздо слабее. При малой растворимости тугоплавких металлов в кремнии для образования растворов замещения необходимо создать большую концентрацию вакансий в кремнии. Поскольку энергия образования вакансии достаточно велика, то при низких температурах (менее 400 - 500 С) это маловероятно.

При более высокой температуре (выше 600 С) отрыв атома кремния может происходить на его поверхности на границе с металлом в энергетически слабых точках, например на ступеньках, за счет увеличения энергии атомов под влиянием тепловых колебаний. Рост силицида ограничивается поступлением атомов кремния, скоростью разрыва связей Si - Si, т.е. реакцией с металлом на границе раздела. Поэтому рост силицида идет по линейному закону: x пропорциональна t, и в диффузионном потоке преобладают атомы кремния.

Рост силицидов на поликристаллическом кремнии происходит аналогично росту на монокристалле.

В присутствии кислорода или паров воды скорость роста силицида уменьшается. Многие тугоплавкие металлы образуют как силициды, так и окислы (Ti, Ta, V). При нанесении металла на окисел кремния они образуют сильные адгезионные связи, взаимодействуя с окислом кремния улучшают адгезию Me - SiO₂. При высокой температуре в результате этого взаимодействия образуется силицид металла, температура его образования на 100 - 200 С выше, чем для реакции с кремнием. Причем на окисле кремния растут силициды, обогащенные металлом (например Ti₅ Si₃, а не TiSi₂).

Силициды, полученные сораспылением, имеют более регулярный состав, однако их удельное сопротивление может быть выше, чем у полученных вжиганием в кремний. Возможно, это связано с большим размером кристаллитов у последнего и, следовательно, с большей подвижностью носителей заряда.

Применение силицидов металлов в качестве материалов омических контактов к тонким (менее 0,1 мкм) слоям кремния - одно из важных направлений современной технологии ИМС. Особенно перспективно использование для этих целей TiSi₂. Помимо наименьшего удельного сопротивления силицид титана при взаимодействии с кислородом и окислом кремния образует окисел титана TiO₂, который является полупроводником с шириной запрещенной зоны около 2 эВ. Таким образом, окисел титана не препятствует протеканию тока в контакте и незначительно увеличивает его сопротивление.

В современных интегральных схемах (СБИС и УБИС) необходима многоуровневая металлизация. При изготовлении систем с многоуровневой металлизацией между слоями металла наносится пленка диэлектрика.

К многослойным системам предъявляются дополнительные требования. Осаждаемый диэлектрик (обычно SiO₂) должен обладать хорошей адгезией к напыленной перед ним металлической пленке, силициду металла и поликристаллическому кремнию. Нанесенная пленка диэлектрика должна полностью покрывать пленку и образовавшиеся после фотолитографии ступеньки. Контакт между первым и вторым слоями металла или других материалов должен быть низкоомным.

При использовании многослойной разводки в интегральных схемах нельзя применять в качестве проводящего слоя только алюминий, так как за счет взаимодействия с диэлектрическими слоями, между которыми он наносится, проводимость пленки будет со временем уменьшаться, могут появиться отдельные непроводящие участки или разрывы в металлизации. Вследствие этого при многослойной разводке используется обычно и многослойная металлизация. В качестве первого слоя, как указывалось ранее, могут быть выбраны платина, титан, молибден и их силициды. Задача этого слоя - обеспечить омический контакт к Si, хорошую адгезию к кремнию и окислу. Второй слой - проводящий - создается напылением золота, алюминия, серебра. Для изоляции от нанесенных поверх металла диэлектрических слоев наносится третий слой - изолирующий. В качестве металла третьего слоя могут использоваться платина, хром, титан, тантал, молибден или ванадий.

Многослойная металлизация применяется также для схем, имеющих поверхность с сильно выраженным рельефом, так как алюминиевые пленки на неровностях поверхности могут иметь обрывы из-за электродиффузии и возникающих в пленках напряжений.

Литература к лекциям 13-14.

1.М.А. Королев, Т.Ю. Крупкина, М.А. Ревелева. Технология, конструкции и методы моделирования кремниевых интегральных микросхем. Часть 1. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний. 2007. 397с.

Дополнительная литература

Черняев В.Н. Технология производства интегральных микросхем и микропроцессоров.М.: Радио и связь, 1987.

2. Броудай И., Мерей Д. Физические основы микротехнологии. - М.: Мир, 1985.

4. Ефимов И.Е., Козырь И.Я., Горбунов Ю.И. Микроэлектроника. Физические и технологические основы, надежность: Учеб. пособие для прибостроит. спец. вузов / М.; Высш. шк., 1986 г.

5. Коледов Л.А. Технология и конструкции микросхем, микропрорцессоров и микросборок: Учебник для вузов / М.: Радио и связь, 1989 г