6.9. Металлизация

В полупроводниковых ИС процесс металлизации призван обеспечить омические контакты со слоями полупроводника, а также рисунок межсоединений и контактных площадок.

Основным материалом для металлизации служит алюми­ний. Он оказался оптимальным в силу следующих положитель­ных качеств: малое удельное сопротивление (1,710~⁶ Ом-см); хо­рошая адгезия к окислу Si0₂ (металлизация осуществляется по окислу); возможность сварных контактов с алюминиевой и зо­лотой проволокой (при осуществлении внешних выводов); от­сутствие коррозии; низкая стоимость и др.

£

Рис. 6.18. Получение металлической разводки методом фотолитографии

При создании металличе­ской разводки сначала на всю поверхность ИС напыля­ют сплошную пленку алю­миния толщиной 0,1-1 мкм (рис. 6.18). Эта пленка кон­тактирует со слоями крем­ния в специально сделанных (с помощью предыдущей фо­толитографии) окнах в окис­ле (1_У 2 и 3 на рис. 6.18). Основная же часть алюмини­евой пленки лежит на повер­хности окисла. Покрывая пленку алюминия фоторези­стом, экспонируя его через соответствующий фотошаблон и про­являя, получают фоторезистную маску, которая защищает буду­щие полоски металлизации и контактные площадки (КП) от травителя. После вытравливания алюминия с незащищенных

участков и удаления фоторезиста остается запланированная ме­таллическая разводка (на рис. 6.18 ее рельеф, прилегающий к контактам 1, 2, 3, заштрихован).

Минимальная ширина полосок в современных ИС соответст­вует предельному разрешению литографии. Естественно, что для достижения необходимых допусков на ширину металлиза­ции ее толщина, как правило, не может быть более 1/10 от ми­нимальной ширины проводника. Расстояние между соседними проводниками — с целью ослабления паразитной емкостной связи между ними — выбирают более 1,5 мкм. Для проводника шириной 1 мкм, его толщина ОД мкм, а расстояние между бли­жайшими проводниками более 1,5 мкм.

Погонное сопротивление полоски шириной 10 мкм и толщи­ной 1 мкм составляет около 2 Ом/мм. Для контактных площа­док, к которым в дальнейшем присоединяются внешние выво­ды, типичны размеры 100x100 мкм. Присоединение внешних выводов непосредственно к полоскам металлизации невозмож­но из-за малой ширины.

Разумеется, рисунок межсоединений предполагает отсутст­вие пересечений, т.е. коротких замыканий. Однако в ИС с вы­сокой степенью интеграции не удается спроектировать метал­лическую разводку так, чтобы избежать пересечений. В этих случаях используется многослойная или многоуровневая раз­водкау т.е. несколько «этажей» металлизации, разделенных изолирующими слоями. Необходимые соединения между раз­ными уровнями осуществляются через специальные окна в изо­лирующих слоях (рис. 6.19, а). Изоляцию между слоями обыч­но обеспечивают путем напыления диэлектрика по завершении очередной металлической разводки. В качестве диэлектрика чаще всего используют моноокись кремния SiO. Количество «этажей» при многоуровневой металлизации для современных БИС лежит в пределах от двух до четырех.

Некоторые предприятия для создания многоуровневой раз­водки используют алюмоксидную технологию. В этой техноло­гии роль изоляции между соседними проводниками выполняют слои «пористого» А1₂0₃, а роль межслойной изоляции толщи­ной порядка 0,1 мкм играют слои «плотного» окисла, образуе­мого в результате анодирования первичного слоя А1 (рис. 6.19, б). Отличительной особенностью этой технологии является планарность многоуровневой разводки.

1-й уровень

2-й уровень

1-й уровень 2-й уровень

Si0₂ /\А1 пл.А1₂0₃/пор.А1₂0₃

а) б)

Рис. 6.19. Многослойная металлическая разводка

Проблема омических контактов при использовании алюми­ния состоит в следующем. Если пленку алюминия просто напы­лить на поверхность кремния, то образуются барьеры Шоттки (см. раздел 3.3), причем барьер на границе с n-слоем является не омическим, а выпрямляющим. Чтобы избежать барьеров Шоттки, алюминий вжигают в кремний при температуре око­ло 600 °С, близкой к температуре эвтектики сплава Al-Si. При такой температуре на границе алюминиевой пленки с кремни­ем образуется слой, в котором растворен практически весь при­легающий алюминий. После застывания сплав представляет собой кремний, легированный алюминием; концентрация по­следнего составляет около 5-Ю"¹⁸ см"³.

Поскольку алюминий является акцептором по отношению к кремнию, возникает новая проблема: предотвращение образо­вания р-п-переходов в п-слоях. Действительно, если концент­рация доноров в л-слое меньше 5 Ю¹⁸ см"³, то атомы алюминия создадут в нем приповерхностный р-слой. Чтобы этого избе­жать, область п-слоя вблизи контакта специально легируют, превращая ее в л⁺-слой с концентрацией доноров Ю²⁰ см^-3 и бо­лее (см. рис. 6.18). Тогда концентрация алюминия оказывается недостаточной для образования ^-слоя, и р-п-переход не обра­зуется.

Если л-слой с самого начала сильно легирован (например, эмиттерный слой транзистора), то дополнительного легирова­ния не требуется. Не возникает проблем и при контакте алюми­ния с р-слоями, так как растворение в них алюминия приводит к образованию приповерхностных р⁺-слоев, что способствует повышению качества омического контакта.