12.9. Металлизация

Слои металлизации должны обеспечивать низкое контактное сопротивление к приборам и другим слоям металлизации. Система соединений не должна создавать механических напряжений в структуре. Проводники должны быть устойчивы к электромиграции.

В КМОП - технологии часто применяются трехслойные проводники TiN-Al-TiN. Нитрид титана обеспечивает хорошую адгезию с диэлектриками и увеличивает стойкость проводников к электромиграции. Алюминий придает проводникам хорошую электропроводность. Изолирующий межслойный диэлектрик - окисел кремния – обладает хорошими изолирующими свойствами и низкой диэлектрической проницаемостью Технология планаризации слоев окисла хорошо отработана.

Рассмотрим цикл формирования первого уровня межсоединений:

1. Нанесение слоя SiO₂ на поверхность пластины с полупроводниковыми приборами.

2. Фотолитография и плазмохимическое анизотропное травление окон в диэлектрике до поверхности контактов. Все переходные окна одинакового минимального размера (0,3  0,3 мкм²). Толщина диэлектрика примерно вдвое больше размера окон – 0,6 мкм.

3. После подготовки поверхности пластины проводится изотропное осаждение нитрида титана на всю поверхность. Толщина слоя немного больше половины размера окон ( 0,15 мкм). При этом окна заполняются нитридом титана, а поверхность пластины становится почти планарной. Следом осаждаются слои алюминия и нитрида титана (0,45 и 0,1 мкм).

4. Фотолитография разводки первого уровня и плазмохимическое травление металла. Рисунок металла таков, что все свободные места заняты мелкими фиктивными элементами, а между проводниками нигде нет больших промежутков.

5. Изотропное осаждение слоя SiO₂ толщиной около 1 мкм. Поверхность пластины имеет рельеф 0,20,4 мкм, так как все зазоры между проводниками имеют объем много меньше объема осажденного диэлектрика.

6. Химико-механическая полировка пластин. После удаления слоя окисла 0,4 мкм поверхность полностью планаризуется.

7. Цикл повторяется с фотолитографии и травления переходных окон.

Пластина со всеми нанесенными слоями металлизации пассивируется слоем нитрида кремния (0,20,3 мкм). Затем вскрываются большие контактные окна к внешним сварочным площадкам. В контактных окнах удаляется не только нитрид кремния, но и нитрид титана. Поверхность алюминия очищается для проведения сварочных операций.

13. Физические структуры и технология биполярных микросхем

13.1. Области применения и особенности технологии биполярных микросхем

Главное преимущество биполярного транзистора (БТ) перед любыми полевыми приборами – это крутая экспоненциальная зависимость выходного тока от входного управляющего напряжения. Такая зависимость обеспечивает отличные усилительные свойства транзистора. Поэтому биполярные микросхемы применяются в тех областях, где требуется большое усиление сигналов по напряжению. Можно выделить три основных направления эффективного применения биполярных транзисторов:

1) радиосвязь и кабельная связь;

2) регистрация сигналов датчиков;

3) управление высоковольтными сигналами и их коммутация.

Степень интеграции биполярных микросхем обычно не превышает 10⁴ элементов на кристалле.

Быстродействие и усиление БТ определяются диффузионными процессами в базе и эмиттере. Для этих процессов требуются электронейтральные области определенных размеров и с высокой проводимостью. Вертикальные размеры транзисторов плохо поддаются масштабированию. Для изготовления БТ используется эпитаксиальная технология со скрытыми слоями. Уменьшение планарных размеров достигается использованием структур с самосовмещением областей и боковой диэлектрической изоляцией. Конкретный тип физической структуры БТ определяется его назначением. Однако можно выделить и общие элементы технологии:

1. Используются подложки p - типа 1020 Омсм с ориентацией по плоскости (111).

2. В большинстве случаев выращиваются эпитаксиальные слои n - типа проводимости, легированные фосфором до уровня не более 10¹⁶ см^-3 (0,5 Ом  см).

3. Скрытые слои n⁺- типа формируются в p - подложке имплантацией и последующей диффузией мышьяка или сурьмы, обладающих низкими коэффициентами диффузии в кремнии. Предельная концентрация мышьяка выше, но он легко испаряется и влияет на процессы легирования эпитаксиального слоя. При выращивании высокоомных эпитаксиальных слоев скрытые слои легируют сурьмой. Скрытые слои p⁺- типа легируют бором. Реально достижимая концентрация бора в скрытом слое зависит от толщины и проводимости эпитаксиального слоя.

4. Повышение рабочих напряжений БТ требует увеличения толщин всех полупроводниковых слоев и снижения концентраций легирующих примесей. Коэффициент усиления по напряжению БТ при этом увеличивается, а быстродействие уменьшается.

5. Параметры БТ слабо зависят от поверхностных состояний и фиксированных зарядов на границе кремний - окисел. Это дает возможность использовать для изоляции полимерные диэлектрические слои без их глубокой очистки от щелочных металлов.

6. Ограниченная степень интеграции не требует более трех уровней металлизированной разводки.